đồ-án-ii.docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

ĐỒ ÁN II Đề tài : Tìm hiểu và điều khiển cơ cấu truyền động servo sử dụng bộ điều khiển NI myRIO và phần mềm LabVIEW

Giảng viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Tùng Lâm

Sinh viên thực hiện

: Đỗ Trung Truyền

MSSV

: 20154006

Lớp

: ĐK&TĐH 02-K60

Hà Nội 2018 1

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển trên nhiều phương diện, với vai trò là một kĩ sư trong tương lai, em nhận thưc được mình cần nắm vững lí thuyết để áp dụng một cách linh hoạt, sáng tạo trong làm việc sau này. Với đề tài : ‘‘Tìm hiểu và điều khiển hệ thống động cơ servo sử dụng vi điều khiển NI myRIO và phần mềm LabVIEW’’ ,em hiểu đây là bước đi mới trong việc điều khiển động cơ servo với mô hình nhỏ như trong phòng thí nghiệm, sau đồ án này, em thấy mình cần nắm vững được cách thức hoạt động điều khiển của ACservo, hiểu rõ được driver điều khiển động cơ, cách thức điều khiển từ NI myRIO qua phần mềm Labview. Em xin cảm ơn thầy !

2

MỤC LỤC Contents LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................................................... 3 Chương 1....................................................................................................................................................... 4 NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU HỆ SERVO CỦA MISUBISHI ..................................................................................... 4 1.1

Giới thiệu chung về hệ thống động cơ Servo ............................................................................ 4

1.2

Đặc điểm và thông số động cơ Misubishi .................................................................................. 5

1.2.1

Đặc điểm .................................................................................................................................. 5

1.2.2

Thông số động cơ Misubishi ................................................................................................... 5

1.2.3

Tìm hiểu về Driver Misubishi MR-J2S-40A ......................................................................... 6

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN NI myRIO ................................................................. 13 2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển. ................................................................................................ 13 2.2 Cấu tạo và chức năng của NI myRIO ........................................................................................... 14 2.2.1 Cấu tạo ...................................................................................................................................... 14 2.2.2 Chức năng của bộ điều khiển .................................................................................................. 15 CHƯƠNG 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW ........................................................................................ 18 3.1 Giới thiệu về Labview ..................................................................................................................... 18 3.2 Những khái niệm cơ bản trên LabVIEW ..................................................................................... 19 CHƯƠNG 4: KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................................................... 20 4.1 Sơ đồ đấu dây .................................................................................................................................. 20 4.2 Liệt kê đầu vào ra ........................................................................................................................... 23 4.3 Thông số cài đặt Driver. ................................................................................................................. 23 4.4 Thiết kế chương trình điều khiển .................................................................................................. 24

3

Chương 1 NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU HỆ SERVO CỦA MISUBISHI 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống động cơ Servo Động cơ Servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ để đạt được điểm chính xác.

Hệ thống Servo gồm có những phần sau đây: - Bộ điều khiển (Processor): Thông thường là bộ điều khiển PLC, vi điều khiển hoặc bộ điều khiển chuyên dụng sẽ chạy theo chương trình điều khiển để thực hiện theo đúng kỹ thuật của ứng dụng. - Bộ điều khiển động cơ (Driver): Đây là thiết bị quan trọng có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách mà mình mong muốn,

4

đúng thời điểm. Thông qua bộ điều khiển ta có thể cài đặt các chế độ khác nhau sao cho đúng với yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng. - Bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder): Phản hồi về các xung khi động cơ hoạt động. Từ các xung đó ta có thể tính toán chính xác vị trí, tốc độ hoặc momen thông qua bộ điều khiển. - Động cơ Servo: Bao gồm đĩa mã hóa xung vòng quay, nam châm vĩnh cửu và cuộn dây Stator. Có chức năng thực hiện mọi yêu cầu về tốc độ, vị trí và momen do người sử dụng cài đặt thông qua Driver. 1.2 Đặc điểm và thông số động cơ Misubishi 1.2.1 Đặc điểm Động cơ Servo của Misubishi mang đặc tính tiên tiến và linh hoạt cao. Servo của hang gồm nhiều loại động cơ: Động cơ chuyển động quay, động cơ chuyển động tịnh tiến và động cơ dẫn động trực tiếp. Sự đa dạng của các loại động cơ nhằm đáp ứng sự hoạt động tốt nhất của hệ thống. Bộ điều khiển servo tương thích với giao diện truyền thông SSCNET III/H ( Servo System Controller NETwork), đa năng (đầu vào là analog và digital). Tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn. Động cơ servo xoay chiều với bộ giải mã 4 triệu xung nhịp/vòng, loại 200/400 VAC và các dòng sản phẩm từ 50W đến 22 KW đáp ứng nhu cầu cao trong công nghiệp. 1.2.2 Thông số động cơ Misubishi Model

HC-MFS43-S25

Công suất đầu ra

400W

Dòng điện đầu vào

3AC (122V 2.8A)

Tốc độ quay

3000 vòng/phút

Nhiệt độ cho phép

40 ºC

Khối lượng

1.5 kg 5

1.2.3 Tìm hiểu về Driver Misubishi MR-J2S-40A a) Đặc điểm kỹ thuật

Hình 1.6 Bộ Driver MR-J2S-40A Bộ driver MR-J2S-40A thuộc dòng servo MELSERVO-J2. Nó có ba chế độ gồm: Kiểm soát vị trí, kiểm soát tốc độ và điều khiển momen xoắn. Hơn nữa nó có thể điều khiển cả 2 trong 3 chức năng trên. Do đó nó được áp dụng cho mọt loạt lĩnh vực, không chỉ cho vị trí chính xác mà còn cho tốc dộ phù hợp. Dòng sản phẩm này có chức năng truyền thông nối tiếp RS-232 và RS-422, bộ cấu hình của MR cài đặt trên máy tính cá nhân hoặc tương tự có thể được sử dụng để thực hiện cài đặt tham số, hoạt động thử nghiệm, theo dõi trạng thái hiển thị… Driver servo MELSERVO-J2 được trang bị bộ mã hóa vị trí tuyệt đối có độ phân giải 131072 xung/vòng để đảm bảo kiểm soát chính xác hơn so với các loại khác. 6

Đơn giản chỉ cần thêm 1 pin vào bộ khuếch đại servo tạo nên một hệ thống phát hiện vị trí tuyệt đối.

b) Thông số kỹ thuật Model

MR-J2S-40A

Nguồn cấp

3 pha hoặc 1 pha 200 VAC-230 VAC

Điện áp ra

3 pha 170 V

Công suất

400W

Dòng điện ngõ ra

1.1 A

Kết nối máy tính

Qua cổng USB

c) Sơ đồ ghép nối Chúng ta sử dụng dòng điện xoay chiều 1 pha từ 200 V đến 230 V để cấp nguồn cho servo. Sơ đồ ghép nối tổng quan giữa driver servo và các thiết bị khác.

7

Hình 1.7 Sơ đồ ghép nối Driver servo với các thiết bị    

CN1A, CN1B,CN3: cổng kết nối các tín hiệu I/O của driver servo. CN2: cổng kết nối với Encoder của động cơ servo với driver servo. L1,L2: Nguồn cấp cho driver servo. U,V,W: Kết nối động cơ servo với driver để cung cấp năng lượng giúp động cơ hoạt động. Giữa đầu ra của động cơ với driver không được kết nối thêm contactor hay aptomat mà cần kết nối trực tiếp. Nếu không sẽ dẫn đến hoạt động sai.

8

Hình 1.8 Sơ đồ ghép nối động cơ với Driver Đấu nối đúng 3 đầu U,V,W của driver với 3 đầu U,V,W của động cơ như hình trên. Ngoài ra có chân EMG có chức năng dừng khẩn cấp, nó có chức năng tắt hoạt động của Servo khi xảy ra lỗi( ALM) giúp bảo vệ Servo an toàn. Các cổng CN1A CN1B dùng cho các I/O của driver.

Hình 1.9 Sơ đồ bố trí chân CN1A CN1B Sơ đồ chân chế độ điều khiển tốc độ

9

Sơ đồ nối chân chế độ điều khiển Momen xoắn

10

d) Các thông số điều khiển chính Để động cơ Servo hoạt động đúng chức năng mong muốn cần cài đặt các thông số Driver cho phù hợp. Để cài đặt thông số ta cần cài đặt trực tiếp thông qua hệ thống các nút bấm trên Driver và theo dõi tiến trình trên màn hình LED 7 thanh trên Driver.

11

Hình 1.10 Các nút bấm để cài đặt Driver

Hình 1.11 Các chức năng của nút bấm trên Driver

12

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN NI myRIO 2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển. NI myRIO là một nền tảng nhúng chạy độc lập mang tính cách mạng, tích hợp phần cứng/ phần mềm cho phép người dùng thiết kế và chế tạo hệ thống thực nhanh. NI myRIO tích hợp chưa một bộ xử lý ARM lõi kép và chip nhưng FPGA của Xilinx trên một hệ thống chip (System on a Chip). Được thiết kế từ ban đầu dành cho việc giảng dạy và nghiên cứu kỹ thuật, NI myRIO cũng bao gồm sẵn các đầu ra (I/Os), tích hợp từ WI-FI và một lớp võ vững chắc. NI myRIO do National Intrument phát hành. Nó là một giải pháp phần cứng tích hợp gồm bộ xử lý 2 nhân ARM 667 MHz, FPGA…. Cùng các ngõ giao tiếp ngoài như Analog In, I2C, PWM, SPI, UART, ngõ ra tương tự, ngõ âm thanh… Ngoài ra, NI myRIO còn được tích hợp sẵn gia tốc kế 3 trục, WI-FI.

Hình 2.1 Bộ điều khiển NI myRIO 1900 của hãng NI

13

2.2 Cấu tạo và chức năng của NI myRIO 2.2.1 Cấu tạo

Hình 2.2 Các thành phần của bộ điều khiển NI myRIO 1900 1: NI myRIO 1900. 2: Cổng mở rộng. 3: Cáp điện cấp nguồn. 4: Cáp USB kết nối với máy tính. 5: Cáp USB kết nối với máy chủ ( không đi kèm với máy). 6: Đèn Led. 7: Cổng hệ thống có chân đấu vặn vít. 8: Cáp vào ra âm thanh. 9: Nút ấn.

14

2.2.2 Chức năng của bộ điều khiển Các khối chức năng được sắp xếp và có mối quan hệ với nhau được thể hiện qua hình. Sơ đồ bố trí chân trên cổng A, B của bộ điều khiển NI myRIO 1900 :

Hình 2.4 Cổng A, B của bộ điều khiển NI myRIO 1900 Bảng 2.1 Chức năng của các chân trên cổng A, B của NI myRIO Chân

Loại đầu vào/ra

Chức năng

+5V

Đầu ra

Điện áp ra 5V

AI<0-3>

Đầu vào

Đơn kênh đầu vào tương tự, 0-5V so với chân tham chiếu.

AO<0-1>

Đầu ra

Đơn kênh đầu ra tương tự, 0-5V so với chân tham chiếu.

GND

Chân tham chiếu so với chân vào/ra tương tự, số. 15

+3.3V

Đầu ra

Điện áp đầu ra 3.3V.

DIO<0-15>

Đầu vào/ra

Kênh số tương thích với tín hiệu đầu ra là 3.3V; tín hiệu đầu vào 3.3-5V.

UART.RX

Đầu vào

UART nhận tín hiệu vào, giống như đường DIO.

UART.TX

Đầu ra

UART truyền tín hiệu ra, giống như đường DIO.

Sơ đồ bố trí chân cổng C của NI myRIO 1900.

Hình 2.5 Cổng C của bộ điều khiển NI myRIO. Bảng 2.2 Chức năng của các chân trên cổng C của NI myRIO. Chân

Đầu ra/vào

Chức năng

+15V/-15V

Đầu ra

Điện áp ra +15V/-15V.

AI0+/AI0AI1+/AI1-

Đầu vào

±10V so với chân tham chiếu, các kênh đầu vào tương tự.

16

AO<0-1>

Đầu ra

Đơn kênh đầu ra tương tự, ±10V so với chân tham chiếu.

Chân tham chiếu cho tín hiệu vào/ra tương tự và chân điện áp ra +15V/-15V.

AGND +5V

Đầu ra

Điện áp ra 15V.

DIO<0-7>

Đầu vào/ra

Kênh số tương thích với tín hiệu đầu ra là 3.3V; tín hiệu đầu vào là 3.3-5V.

DGND

Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số và chân điện áp ra +5V.

17

CHƯƠNG 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 3.1 Giới thiệu về Labview Để giao tiếp và lập trình cho bộ điều khiển NI myRIO ta dùng phần mềm Labview. LabVIEW viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị.

Hình 3.1 Giao diện phần mềm Labview. LabVIEW hộ trợ các kỹ sư, nhà khoa học, sinh viên… xây dựng các thuật toán một cách nhanh chóng, gọn, sáng tạo và dễ hiểu nhờ các khối hình ảnh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng dữ liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải. Các thuật toán này sau đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với LabVIEW thông qua các chuẩn giao tiếp như RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB…. Vì vậy LabVIEW là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh. LabVIEW hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành như Window ( 2000, XP, Vista, Window7), Linux, Macos, Window mobile, Window Embedded.

18

3.2 Những khái niệm cơ bản trên LabVIEW Một chương trình trong LabVIEW bao gồm hai phần chính: giao diện người dùng (Front Panel) và sơ đồ khối (Block Diagram). a) Front Panel 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 dùng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột và 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 hiển thị (Indicator).

Hình 3.2 Front Panel của một chương trình LabVIEW b) Block Diagram Các đối tượng trên Front Panel được thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram, không thể loại bỏ các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram. Các thiết bị đầu cuối chỉ mất đi sau khi loại bỏ đối tượng trên Front Panel. Cấu trúc của một Block Diagram gồm các thiết bị đầu cuối (Termianl), nút (Node) và các dây nối (Wire).

19

CHƯƠNG 4: KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Sơ đồ đấu dây Mô tả công nghệ

Hình 4.1 Sơ đồ đấu dây hệ thống

Hình 4.2 Nút bấm điều khiển 20

Chức năng của các phím bấm:    

Nguồn : nút bấm để cung cấp nguồn từ bộ điều khiển vào driver động cơ. CWW/CW : đảo chiều động cơ thuận nghịch. Rs: Để reset lại xung encoder phản hồi về. Start : Nút ấn để khởi động động cơ.

-Sơ đồ đấu dây chi tiết

Hình 4.3 Sơ đồ đấu dây NI myRIO

Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối các I/O

21

Hình 4.5 Đấu nối trong thực tế Sơ đồ đấu dây gồm khối nguồn cấp cho bộ điều khiển từ 6-16V  V01, V02, V03 đầu nối của encoder Servo.  Các chân DI03-DI05 đầu vào của nút bấm bảng điều khiển.  Z-TC đầu ra analog để điều khiển momen của động cơ Servo.

Hình 4.6 Sơ đồ đấu nối Driver với động cơ.

22

4.2 Liệt kê đầu vào ra Bảng 4.1. Đầu vào ra STT

Tên tín hiệu

Dạng tín hiệu

I/O

Port

Cổng

1

Tín hiệu cấp nguồn động cơ

Số

I

A

DIO3

2

Tín hiệu đảo chiều động cơ

Số

I

A

DIO4

3

Reset xung encoder động cơ

Số

I

A

DIO5

4

Tín hiệu xung pha A_động cơ

Số

I

A

ENC.A

5

Tín hiệu xung pha B_động cơ

Số

I

A

ENC.B

6

Tín hiệu đặt cho động cơ

Tương tự

O

C

AO1

4.3 Thông số cài đặt Driver. Bảng 4.2 Thông số cài đặt Driver Servo Mitsubishi STT Thông số

Giá trị cài đặt

Chức năng

1

Pn.00

0004

Điều khiển theo chế độ momen

2

Pn.01

0002

Lựa chọn chức năng.

3

Pn.08

1000 r/min

Giới hạn tốc độ nội bộ 1.

4

Pn.09

1500 r/min

Giới hạn tốc độ nội bộ 2.

5

Pn.10

2000 r/min

Giới hạn tốc độ nội bộ 3.

6

Pn.11

1000 ms

Hằng số thời gian tốc độ.

7

Pn.12

500 ms

Hằng số thời gian giảm tốc.

8

Pn.14

2000 ms

Hằng số thời gian lệnh momen xoắn cực đại.

9

Pn.26

100 %

Ngõ ra momen xoắn cực đại.

10

Pn.28

100%

Giới hạn momen xoắn bên trong. 23

11

Pn.41

Lựa chọn tín hiệu đầu vào.

0111

4.4 Thiết kế chương trình điều khiển Điều khiển momen động cơ thông qua cổng ra analog của NI myRIO, để làm được việc này phải thông qua phần mềm LabVIEW ta có thể thay đổi được giá trị điện áp ra từ đó điều khiển được lượng momen cũng như chiều quay của động cơ. Để thiết kế một chương trình điều khiển bằng LabVIEW trước hết ta cần xây dựng một project, trên cửa sổ của phần mềm LabVIEW chọn File>> Create Project sau đó chọn Finish. Trên cửa sổ mới xuất hiện chuột phải vào dòng Project: Untiteled Project 1 chọn New>>Targets and Device>>myRIO>>NI-myRIO-1900-0305f56b. Trên cửa sổ đó chuột phải vào dòng NI-myRIO-1900-0305f56b chọn New>>VI. Sau đó ta vào thư viện lấy các đối tượng để sử dụng cho phần điều khiển. Chương trình thiết kế nhằm chạy thử động cơ, kiểm tra các thông số cài đặt động cơ như momen, tốc độ đã đáp ứng đủ theo yêu cầu đã đặt ra chưa. Nếu chưa đủ thì tiếp tục chỉnh lại thông số thông qua Driver. Ngoài ra chương trình cũng có phản hồi encoder, chiều quay thuận nghịch của động cơ và có tín hiệu đo góc về, giúp ta kiểm tra xem các chế độ phản hồi có hoạt động chính xác hay không. Thiết kế chương trình: Lấy các khối đọc tín hiệu vào số: trên cửa sổ Block Diagram chuột phải chọn myRIO>>Defualt>>Digital Input. Chọn đủ số kênh ta thu được. Lấy tín hiệu đầu vào tương tự: trên cửa sổ Block Diagram chuột phải chọn myRIO>>Defualt>>Analog input. Chọn đủ số kênh.

24

Lấy tín hiệu ra tương tự: trên cửa sổ Block Diagram chuột phải chọn myRIO>>Defualt>>Analog output. Chọn đủ số kênh.

Hình 4.9 Lần lượt là các tín hiệu vào số,vào tương tự, ra tương tự. Chương trình đọc tín hiệu vào ra:

Hình 4.10 Phản hồi xung động cơ

25

Hình 4.11 Chương trình đọc tín hiệu vào ra.

Hình 4.12 Chương trình xuất tín hiệu điều khiển.

Hình 4.13 Giao diện giám sát.

26

KẾT LUẬN Sau khi cho chương trình chạy, em thấy động cơ hoạt động theo đúng yêu cầu, các tín hiệu phản hồi về đúng, tuy nhiên khi điều khiển có tải em thấy độ rung lớn, cần người điều khiển tập trung không thì nó sẽ đi quá quá trình dẫn đến nguy hiểm. Chính vì vậy trong tương lai em sẽ cố gắng khắc phục những nhược điểm trên Em xin chân thành cảm ơn.

27