(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy LabView sử dụng Compact RIO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT Ô TÔ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH
GIẢNG DẠY LABVIEW SỬ DỤNG COMPACT RIO

GVHD :
SVTH :

THS. NGUYỄN TRUNG HIẾU
NGUYỄN ĐỨC SANG
TRẦN TUẤN HUY

SKL007933

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Được sự phân cơng của Khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh và sự đồng ý của Giảng viên hướng dẫn ThS. Nguyễn Trung Hiếu
đã giúp nhóm chúng em thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình giảng dạy
LabVIEW sử dụng CompactRIO”.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã giảng dạy và truyền đạt cho
nhóm chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh để nhóm chúng em có thể
hồn thành tốt nhất khóa luận tốt nghiệp.

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy ThS. Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo và quan tâm đến nhóm chúng em. Thầy đã hỗ trợ rất nhiều cả về cơ sở
vật chất và những kiến thức mà Thầy đã truyền đạt cho nhóm chúng em trong q trình thực
hiện đề tài.
Nhóm em cũng xin chân thành cảm ơn các quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực và
đặc biệt là quý Thầy trong Bộ Mơn Điện Tử Ơ Tơ đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho nhóm chúng em.
Trong suốt 16 tuần thực hiện đồ án, nhóm em khơng thể tránh khỏi những thiếu sót rất
mong nhận được sự nhận xét, góp ý của q Thầy để nhóm hồn thành tốt hơn bài báo cáo
của mình.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Sang
Trần Tuấn Huy

i


TÓM TẮT
Ngày nay, chúng ta đang đứng giữa cuộc giao thoa mạnh mẽ của nền cơng nghệ 4.0 cùng
với đó là hàng loạt cuộc cách mạng công nghệ từ thủ công đến điều khiển tự động trong
ngành công nghiệp kỹ thuật nói chung và ngành cơng nghiệp ơ tơ nói riêng. Bắt kịp nhu cầu
chung của xu hướng phát triển đó, các Giảng Viên cũng như Ban Giám Hiệu nhà trường đã
tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho các sinh viên như chúng em được học tập và rèn luyện
thêm môn điều khiển tự động để đáp ứng được nhu cầu phát triển của ngành Cơng Nghệ Kỹ
Thuật Ơ Tơ.
Từ môi trường học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố
Hồ Chí Minh, chúng em đã đúc kết được nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm và được sự đồng ý
các Thầy (Cô) trong Khoa, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và

chế tạo mơ hình hỗ trợ giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO”.
Đề tài nhóm chúng em thực hiện sẽ hỗ trợ cho việc giảng dạy, giúp cho người học có
được cái nhìn thực tế chân thật hơn trong việc mơ phỏng và thực nghiệm. Đồng thời lập
trình LabVIEW cho CompatRIO giúp nâng cao khả năng tư duy, nhạy bén và chính xác
trong xử lý cơng việc, đó cũng chính là những yếu tố thiết yếu trong các ngành Điều Khiển
Tự Động Hóa đồng thời cũng mở ra những hướng phát triển mới trong ngành Cơng Nghệ
Kỹ Thuật Ơ Tô hiện nay và trong tương lai.
 Vấn đề nghiên cứu:
- Nghiên cứu lập trình LabVIEW và ứng dụng CompactRIO.
- Thiết kế mơ hình bằng chương trình CATIA.
- Tìm hiểu thuật toán điều khiển tự động (PID).
- Thiết kế chế tạo mơ hình hỗ trợ dạy học LabVIEW ứng dụng vào CompactRIO.
 Phương pháp giải quyết vấn đề:
- Sủ dụng các nguồn tài liệu trên Internet đặc biệt là của hãng National Instruments tìm
hiểu thơng số kỹ thuật về các sản phẩm, thiết bị của hãng.
- Tìm kiếm vật liệu thi cơng mơ hình gồm: khung, đế gá sản phẩm, thiết bị bảo quản sản
phẩm.

ii


- Sử dụng các cảm biến, cơ cấu chấp hành và các thiết bị hỗ trợ sẵn của hãng National
Instrument để chế tạo mơ hình, và nghiên cứu tìm hiểu các thuật toán điều khiển tự
động.
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ i
TÓM TẮT .................................................................................................................................ii
MỤC LỤC .............................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................................vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................................xi
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 1
1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngồi nước ............................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết đề tài............................................................................................................ 1
1.3. Mục tiêu đề tài ................................................................................................................... 2
1.4. Hướng tiếp cận ................................................................................................................... 2
1.5. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu................................................................................. 2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 4
2.1. Giới thiệu phần mềm LabVIEW ........................................................................................ 4
2.2. Giới thiệu phần mềm CATIA ............................................................................................ 6
2.3. Giới thiệu các module NI CompactRIO ............................................................................ 8
2.3.1. Thông số kĩ thuật CompactRIO NI 9076 ................................................................... 8
2.3.2. Giới thiệu module NI 9205 ....................................................................................... 12
2.3.3. Giới thiệu module NI 9505 ....................................................................................... 19
2.3.4. Giới thiệu module NI 9234 ....................................................................................... 25
2.3.5. Giới thiệu module NI 9403 ....................................................................................... 27
2.4. Giới thiệu cảm biến, cơ cấu chấp hành ............................................................................ 29
2.4.1. Chiết áp ..................................................................................................................... 29
2.4.2. Encoder ..................................................................................................................... 29
2.4.3. Motor Yakasawa ....................................................................................................... 32
iii


Chương 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN........................................... 38
3.1. Thuật toán điều khiển PID ............................................................................................... 38
3.2. Bộ điều khiển khâu P ....................................................................................................... 39
3.3. Bộ điều khiển khâu I ........................................................................................................ 39
.4. Bộ điều khiển khâu

...................................................................................................... 40

.5. Phương pháp điều chỉnh thủ công các hệ số P, I, D ........................................................ 41
Chương 4. THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRÊN CATIA VÀ TIẾN HÀNH THI CƠNG ........ 42
4.1. Thiết kế mơ hình bằng phần mềm CATIA ...................................................................... 42
4.1.1. Thiết kế tổng quan .................................................................................................... 42
4.1.2. Thiết kế khung chịu lực chính .................................................................................. 43
4.1.3. Thiết kế bộ nguồn, các module và bộ CompactRIO ................................................ 43
4.1.4. Sản phẩm thiết kế mẫu ............................................................................................. 46
4.2. Thi cơng mơ hình ............................................................................................................. 48
4.2.1 Chuẩn bị các linh kiện cơ khí .................................................................................... 48
4.2.2 Lắp ráp mơ hình ......................................................................................................... 49
Chương 5. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU
TRÊN LABVIEW ................................................................................................................. 59
5.1. Tổng quan chương trình thực hiện với CompactRIO ...................................................... 59
5.2. Hướng dẫn bắt đầu với CompactRIO .............................................................................. 60
5.2.1. Thiết lập ban đầu cho CompactRIO 9076 và các thiết bị National Instruments ...... 60
5.2.2. Cách tạo một chương trình FPGA Project................................................................ 62
5.2. . Hướng dẫn Built Compile Xilinx Tools ................................................................... 64
5.2.4. Hướng dẫn Disable Sleep Mode và Enable Drive .................................................... 66
5.3. Thu thập dữ liệu cảm biến với module NI 9205 .............................................................. 67
5.3.1. Kết nối phần cứng..................................................................................................... 67
5. .2. Chương trình thu thập dữ liệu với NI 9205 .............................................................. 67
5. . . Chương trình giao tiếp giữa máy tính và NI 9205 ................................................... 70
5.3.4. Kết quả đạt được ....................................................................................................... 72
5.4. Thu thập dữ liệu cảm biến với module NI 9234 .............................................................. 74
iv


5.4.1. Kết nối phần cứng..................................................................................................... 74
5.4.2. Chương trình mẫu thực hiện với NI 9234 ................................................................ 75

5.4.3. Kết quả đạt được của chương trình NI 92 4 ............................................................ 78
5.5. Thu thập dữ liệu tín hiệu với module NI 9403 ................................................................ 78
5.5.1. Kết nối phần cứng..................................................................................................... 78
5.5.2. Chương trình thu thập dữ liệu với module NI 9403 ................................................. 79
5.5. Chương trình giao tiếp giữa máy tính và module NI 9403 ....................................... 82
5.5.4 Kết quả đạt được ........................................................................................................ 82
5.6. Điều khiển tốc độ động cơ bằng module NI 9505 trên giao diện LabVIEW .................. 83
5.6.1. Kết nối phần cứng..................................................................................................... 83
5.6.2. Tổng quan về hệ thống ............................................................................................. 84
5.6.3. Thực hiện chương trình mẫu với NI 9505 ................................................................ 87
5.6.4. Các kết quả đạt được của chương trình NI 9505 ...................................................... 88
5.7. Điều khiển vị trí động cơ bằng module NI 9505 trên giao diện LabVIEW .................... 89
5.7.1. Tổnng quan về hệ thống ........................................................................................... 89
5.7.2. Thực hiện chương trình mẫu với NI 9505 ................................................................ 92
5.7. . Các kết quả đạt được của chương trình NI 9505 ...................................................... 93
5.8. Điều khiển tốc độ động cơ bằng module NI 9505 và module NI 9205 ........................... 93
5.8.1. Kết nối phần cứng..................................................................................................... 94
5.8.2. Chương trình trên FPGA main ................................................................................. 95
5.8. . Chương trình giao tiếp máy tính và NI 9505 NI 9205 ............................................. 98
5.8.4. Kết quả đạt được ..................................................................................................... 101
5.9. Chương trình điều khiển vị trí động cơ bằng module NI 9505 và NI 9205 .................. 104
5.9.1. Chương trình điều khiển trên FPGA main ............................................................. 104
5.9.2. Chương trình giao tiếp giữa máy tính và NI 9505, NI 9205 .................................. 104
5.9.3. Kết quả đạt được ..................................................................................................... 107
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 110
6.1. Những kết quả đã đạt được ............................................................................................ 110
6.2. Những khó khăn trong q trình thực hiện đồ án .......................................................... 110
v

6. . Định hướng phát triển .................................................................................................... 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 112
PHỤ LỤC.............................................................................................................................. 113
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ADC (Analog to Digital Converter): Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
AI Differental: Tín hiệu tương tự dùng kênh đơi
AI Single-Ended: Tín hiệu tương tự dùng kênh đơn
Analog Input: Tín hiệu tương tự ngõ vào
Analog Output: Tín hiệu tương tự ngõ ra
C Serial I/O module: Các thiết bị của hãng NI dùng để kết nối với CompactRIO
CompacRIO (Compact Reconfigurable IO Modules): bộ điều khiển thời gian thực, kết nối
với các mơ-đun IO cấu hình lại.
DAQmx: Data Acquision
Digital Input (DI): Tín hiệu số ngõ vào
Digital Output (DO): Tín hiệu số ngõ ra
Encoder: Bộ mã hóa góc quay thành tín hiệu số
FPGA (Field-programmable gate array): Mạch tích hợp cỡ lớn, người dùng có thể lập trình
và tùy chỉnh được phần cứng.
Graphical programming language: ngôn ngữ G, ngơn ngữ lập trình đồ họa
LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench
Module: Thiết bị
Motor DC: động cơ điện một chiều
NI: National Instruments
RSE (Referenced Single-Ended): Phương pháp đo điện áp tham chiếu từng kênh.

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Phần mềm CATIA ..................................................................................................... 7

Hình 2.2 NI CompactRIO 9076 ................................................................................................ 9
Hình 2. Sơ đồ NI CompactRIO 9076...................................................................................... 9
Hình 2.4 Đèn chỉ thị CompactRIO 9076 ................................................................................ 11
Hình 2.5 Thiết bị NI 9205 ....................................................................................................... 12
Hình 2.6 NI 9505 với cổng ra Spring Terminal and NI 9505 với cổng ra DSUB .................. 14
Hình 2.7 Cách kết nối thiết bị dùng 2 kênh để đo .................................................................. 16
Hình 2.8 Kiểu kết nối Floating Differential Signals ............................................................... 16
Hình 2.9 Kết nối tín hiệu điện áp kiểu RSE............................................................................ 17
Hình 2.10 Kết nối tín hiệu điện áp kiểu NRSE ....................................................................... 17
Hình 2.11 Cách kết nối dây điện với cổng Spring-Terminal .................................................. 18
Hình 2.12 Thiết bị NI 9505 ..................................................................................................... 19
Hình 2.13 Led hiển thị của NI 9505 ....................................................................................... 19
Hình 2.14 Thứ tự các chân trên cổng DSUB của module NI9505 ......................................... 21
Hình 2.15 Kí hiệu các chân trên module NI 9505 .................................................................. 21
Hình 2.16 Sơ đồ kết nối các chân của motor với module NI 9505......................................... 22
Hình 2.17 Sơ đồ khối của module NI 9505 ............................................................................ 23
Hình 2.18 Vịng lặp PI được sử dụng trên module LabVIEW FPGA ................................. 24
Hình 2.19 Vịng lặp PI xuất giá trị PWM trên module NI 9505 ............................................. 24
Hình 2.20 Thiết bị NI 9234 ..................................................................................................... 25
Hình 2.21 Các cổng đọc tín hiệu của module NI 9234 ........................................................... 26
Hình 2.22 Kiểu kết nối thông thường với module NI 9234 .................................................... 26
Hình 2.23 Kiểu kết nối tín hiệu với module NI 9234 có bọc chống nhiễu ............................. 26
Hình 2.24 Thiết bị NI 9403 ..................................................................................................... 27
Hình 2.25 Mạch bảo vệ q dịng NI 9403 ............................................................................. 27
Hình 2.26 Sơ đồ chân kết nối NI 9403 ................................................................................... 28
Hình 2.27 Kết nối các tín hiệu Digital với NI 9403 ............................................................... 28
Hình 2.28 Hình ảnh chiết áp ................................................................................................... 29
Hình 2.29 Cấu tạo encoder quang ........................................................................................... 30
Hình 2.30 Bảng thơng số Encoder UTOPI 200SE.................................................................. 31
Hình 2.31 Phân biệt các chân Encoder dựa trên màu dây ...................................................... 32

Hình 2.32 Cấu tạo của động cơ điện một chiều ...................................................................... 33
Hình 2.33 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều ................................................ 33
Hình 2.34 Chiều của lực điện từ tạo nên chuyển động quay .................................................. 34
Hình 2.35 Bảng thơng số của Motor R02SA .......................................................................... 36
Hình 2.36 Thơng số dịng điện cho phép để bảo vệ Motor..................................................... 37
Hình .1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID ........................................................................... 38
Hình .2 Đồ thị về độ vọt lố và thời gian xác lập ................................................................... 39
vii


Hình 4.1 Mơ phỏng hình ảnh vali mẫu ................................................................................... 42
Hình 4.2 Khung chịu lực chính ............................................................................................... 43
Hình 4.3 Bộ nguồn CompactRIO 9076 .................................................................................. 44
Hình 4.4 Bộ điều khiển CompactRIO 9076 ............................................................................ 45
Hình 4.5 Sản phẩm gồm khung và gá đỡ ................................................................................ 46
Hình 4.6 Mơ hình sản phẩm hồn chỉnh ................................................................................. 46
Hình 4.7 Mơ hình sản phẩm khi nhìn trực diện ...................................................................... 47
Hình 4.7 Mơ hình sản phầm nhìn từ bên phải ........................................................................ 47
Hình 4.8 Nhơm định hình 20 x 20 .......................................................................................... 48
Hình 4.9 Ke góc vng chìm 20 x 20 ..................................................................................... 48
Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống của mơ hình .................................................................................. 49
Hình 4.11 Dụng cụ chuẩn bị lắp ráp ....................................................................................... 49
Hình 4.12 Lắp ráp khung chịu lực .......................................................................................... 50
Hình 4.13 Lắp ráp dây điện, cơng tắc khối nguồn .................................................................. 50
Hình 4.14 Kết nối hệ thống điện mơ hình............................................................................... 51
Hình 4.15 Lắp ráp các thiết bị vào mặt trên của mica ............................................................ 51
Hình 4.16 Lắp gá đỡ motor vào motor ................................................................................... 52
Hình 4.17 Lắp motor vào mica trên ........................................................................................ 52
Hình 4.18 Lắp dây encoder và dây nguồn vào jack nối trên mica.......................................... 53
Hình 4.19 Siết ốc cố định motor ............................................................................................. 53

Hình 4.20 Siết chặt đai ốc vào bulong, cố định motor ........................................................... 54
Hình 4.21 Cố định bảng điều khiển vào khung nhơm ............................................................ 54
Hình 4.22 Lắp khối nguồn vào mơ hình ................................................................................. 55
Hình 4.23 Nối dây cấp nguồn và để bộ CompactRIO vào mơ hình ....................................... 55
Hình 4.24 Mơ hình sau khi lắp ráp hồn................................................................................. 56
Hình 4.25 Mơ hình sản phẩm thực tế ...................................................................................... 56
Hình 4.26 Sản phẩm thực tế khi nhìn trực diện ...................................................................... 57
Hình 4.27 Sản phẩm mơ hình giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO ........................... 57
Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan chương trình với CompactRIO ..................................................... 59
Hình 5.2 Sơ đồ kết nối phần cứng .......................................................................................... 60
Hình 5.3 LabVIEW phiên bản 2018 ....................................................................................... 61
Hình 5.4 Giao diện kết nối thiết bị của National Instruments ................................................ 61
Hình 5.5 Thêm phần mềm cho NI Scan Engine ..................................................................... 62
Hình 5.6 Chọn LabVIEW Project ........................................................................................... 63
Hình 5.7 Chọn CompactRIO Embedded System.................................................................... 63
Hình 5.8 Chọn Finish .............................................................................................................. 64
Hình 5.9 Chọn Build Specifications ....................................................................................... 65
Hình 5.10 Chọn Select File for Compilation .......................................................................... 65
Hình 5.11 Chọn Select Compile Server .................................................................................. 66
Hình 5.12 Thơng báo Successfull Compilation ...................................................................... 66
viii


Hình 5.13 Kết nối phần cứng với NI 9205 ............................................................................. 67
Hình 5.14 Chương trình đọc Analog Input NI 9205 ............................................................... 68
Hình 5.15 Cửa sổ hiển thị của chương trình ........................................................................... 68
Hình 5.16 Sơ đồ khối của chương trình .................................................................................. 69
Hình 5.17 Cửa sổ hiển thị đọc Analog AI0 ............................................................................ 70
Hình 5.18 Cửa sổ hiển thị đọc Analog AI1 và AI2 ................................................................ 70
Hình 5.19 Cửa sổ hiện thị đọc Analog AI3 ............................................................................ 71

Hình 5.20 Sơ đồ khối chương trình đọc tín hiệu Analog Input 0 ........................................... 71
Hình 5.21 Sơ đồ khối chương trình đọc tín hiệu Analog ........................................................ 72
Hình 5.22 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI0 ........................................................................... 73
Hình 5.23 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI1 và AI2 ............................................................... 73
Hình 5.24 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI3 ........................................................................... 74
Hình 5.25 Kết nối phần cứng NI 9234 .................................................................................... 74
Hình 5.26 Tìm kiếm chương trình NI 92 4 ............................................................................ 75
Hình 5.27 Thêm các thư mục vào chương trình đã tạo .......................................................... 75
Hình 5.28 Sơ đồ khối NI 9234 FPGA.vi ................................................................................ 76
Hình 5.29 Cửa sổ hiển thị chương trình NI 92 4 ................................................................... 77
Hình 5.30 Cửa sổ hiển thị giao tiếp máy tính và NI 9234 ...................................................... 77
Hình 5.31 Kết quả đạt được từ đọc tín hiệu NI 9234 ............................................................. 78
Hình 5.32 Kết nối phần cứng NI 9403 .................................................................................... 78
Hình 5. Chương trình thu thập dữ liệu với NI 9403 ........................................................... 79
Hình 5.34 Tín hiệu ngõ vào Digital Input ............................................................................... 80
Hình 5.35 Tín hiệu ngỏ ra Digital Output ............................................................................... 80
Hình 5. 6 Chương trình thiết lập ngỏ vào Digital Input......................................................... 81
Hình 5. 7 Chương trình thiết lập ngỏ ra Digital Output......................................................... 81
Hình 5.38 Giao diện chương trình giao tiếp ........................................................................... 82
Hình 5. 9 Chương trình điều khiển việc giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ......................... 82
Hình 5.40 Kết nối phần cứng NI 9505 .................................................................................... 83
Hình 5.41 Chương trình điều khiển tốc độ NI 9505 ............................................................... 84
Hình 5.42 Vịng lặp Status Loop ............................................................................................ 85
Hình 5.43 Vịng lặp Velocity Loop ........................................................................................ 85
Hình 5.44 Vịng lặp Current Loop và PWM Loop ................................................................. 86
Hình 5.45 Vịng lặp Encoder Loop ......................................................................................... 86
Hình 5.46 Kết quả đạt được trên chương trình Host Turning................................................. 88
Hình 5.47 Kết quả đạt được trên chương trình Host .............................................................. 88
Hình 5.48 Chương trình điều khiển vị trí NI 9505 ................................................................. 89
Hình 5.49 Vịng lặp Status Loop ............................................................................................ 90

Hình 5.50 Vịng lặp Position Setpoint Loop ........................................................................... 90
Hình 5.51 Vịng lặp Position Loop ......................................................................................... 91
Hình 5.52 Vịng lặp Velocity Loop ........................................................................................ 91
ix


Hình 5.53 Vịng lặp Current Loop and PWM Loop ............................................................... 92
Hình 5.54 Vịng lặp Encoder Loop ......................................................................................... 92
Hình 5.55 Kết quả đạt được trên chương trình Host Turning................................................. 93
Hình 5.56 Kết quả đạt được trên chương trình Host .............................................................. 93
Hình 5.57 Kết nối phần cứng NI 9205 và NI 9505................................................................. 94
Hình 5.58 Chương trình quản lý điều khiển tốc độ ................................................................ 95
Hình 5.59 Chương trình đọc tín hiệu từ NI 9205.................................................................... 96
Hình 5.60 Chương trình điểu khiển tốc độ NI 9505 ............................................................... 98
Hình 5.61 Cửa sổ điều chỉnh các thơng số đầu vào ................................................................ 99
Hình 5.62 Cửa sổ điều chỉnh PID và hiển thị các thơng số .................................................... 99
Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển tốc tốc độ motor ............................................................... 100
Hình 5.64 Kết quả điều khiển tốc độ motor DC (vịng/ s) .................................................... 101
Hình 5.65 Chương trình xác định độ vọt lố và thời gian xác lập ......................................... 102
Hình 5.66 Kết quả khả năng đáp ứng của hệ thống .............................................................. 103
Hình 5.67 Kết quả phản hồi của hệ thống............................................................................. 103
Hình 5.68 Chương trình quản lý điều khiển vị trí................................................................. 104
Hình 5.69 Giao diện để thiết lập các thông số ...................................................................... 105
Hình 5.70 Giao diện hiển thị thơng tin hệ thống .................................................................. 105
Hình 5.71 Chương trình điều khiển NI 9505 và NI 9205 ..................................................... 106
Hình 5.72 Kết quả đạt được khi vị trí 90 ............................................................................. 107
Hình 5.73 Kết quả hình ảnh thực tế ở vị trí 90 .................................................................... 107
Hình 5.74 Kết quả thực hiện được ở vị trí 180 .................................................................... 108
Hình 5.75 Kết quả hình ảnh thực tế ở vị trí 180 .................................................................. 108
Hình 5.76 Kết quả thực hiện bám theo giá trị điểm đặt ........................................................ 109

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Hiển thị các lỗi của đèn Status Led ......................................................................... 11
Bảng 2.2 Mô tả các chân tín hiệu của NI 9205 ....................................................................... 14
Bảng 2.3 Cặp chân tín hiệu module NI 9205 .......................................................................... 15
Bảng 2.4 Power Requirements NI 9234 ................................................................................. 25
Bảng 2.5 Mơ tả chân tín hiệu NI 9234 .................................................................................... 26
Bảng 4.1 Bảng kích thước tổng thể của vali ........................................................................... 42
Bảng 4.2 Kích thước tổng thể của khung chịu lực ................................................................. 43
Bảng 4.3 Bảng kích thước tổng thể của khối nguồn ............................................................... 43
Bảng 4.4 Kích thước tổng thể của CompactRIO .................................................................... 44

xi


Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
 Ngoài nước:
Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn các đề tài nghiên cứu khoa học dùng để điều khiển
motor C như: điều khiển vị trí bướm ga, điều khiển tốc độ cầm chừng, cánh tay robot trong
công nghiệp và y học, … Theo thời gian, các đề tài ngày được thực hiện với mực độ chính
xác càng cao, chuyển động càng êm dịu, thời gian điều khiển tối ưu nhất,…
Bên cạnh đó, cịn có các đề tài khoa học ứng dụng khác với các công nghệ tiên tiến, phát
triển. Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng và ngành kỹ thuật nói chung, việc áp dụng
các công nghệ, nắm bắt cơ hội phát triển và vận dụng vào trong nghiên cứu là điều cần thiết.
Để làm được điều đó chúng ta cần có một nền tảng điều khiển tự động vững chắc để làm cơ
sở phát triển lâu dài về sau.

 Trong nước:
Cũng có nhiều đề tài về lập trình nhúng điều khiển các thiết bị tự động. Nhưng nhìn
chung đa số các đề tài thực hiện hoàn thành ở mức độ vận dụng và phát triển lên. Ngoài ra
để hỗ trợ cho việc học thì chúng ta cần những mơ hình dạy và học để xây dựng nền tảng
giúp cho chúng ta có cơ sở để thực hiện một đề tài hoặc một hướng phát triển nào đó.
1.2. Tính cấp thiết đề tài
Ngày nay việc học ngày càng được chú trọng và nâng cao nhờ vậy chất lượng giảng dạy
cũng được ưu tiên hàng đầu. Có giảng dạy tốt thì việc vận dụng và phát triển mới vững chắc
ổn định lâu dài. Nhận thức điều đó, việc thiết kế một thiết bị hỗ trợ cho việc giảng dạy là
điều cần thiết đồng thời tạo nguồn cảm hứng sáng tạo đến các thế hệ trẻ.
Đặc biệt với các thiết bị 100% được nhập từ nước ngồi thì tài liệu và các linh kiện cũng
như thiết bị bị hạn chế rất nhiều, đồng thời giá thành các phụ kiện đi kèm cũng rất đắc nên
cũng khó khăn trong việc nghiên cứu và học tập. Từ đó, chúng ta phải biết tận dụng những
thiết bị nhà trường có sẵn, cụ thể là các sản phẩm từ hãng National Instrusment để tạo ra một
mơ hình trực quan, đi kèm là các thông tin sản phẩm rõ ràng chính xác để cho việc dạy và
học ngày càng trở nên dễ dàng và hiệu quả.

1


1.3. Mục tiêu đề tài
- Thiết kế và chế tạo thành cơng được mơ hình hỗ trợ giảng dạy LabVIEW sử dụng
CompactRIO.
- Xây dựng chương trình dùng để kiểm tra và điều khiển các thiết bị của hãng National
Instrument.
- Hoàn thành bộ điều khiển đáp ứng được các tiêu chí: dễ dàng quản lý các tài nguyên, đa
dạng trong việc sử dụng và thích hợp hầu hết với các thiết bị.
1.4. Hướng tiếp cận
- Tìm hiểu về CATIA, LabVIEW.
- Tham khảo các mơ hình dạy học đảm bảo các yếu tố: vận hành chính xác, thiết kế gọn

dễ mang đi, chi phí phải chăng, thích hợp làm việc trong mọi điều kiện.
- Thiết kế mơ hình trên CATIA và tiến hành thi cơng.
- Tìm kiếm thư viện hỗ trợ từng thiết bị và cách dùng từ hãng National Instruments.
- Tìm hiểu về thuật tốn điều khiển PID.
- Viết chương trình điều khiển, thu thập dữ liệu bằng phần mềm LabVIEW.
1.5. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
 Phương pháp giải quyết vấn đề:
- Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về CATIA, LabVIEW, và các thuật
tốn điều khiển tự động.
- Ứng dụng CATIA để phác thảo, thiết kế và mơ phỏng sản phẩm.
- Tìm hiểu vật liệu, gia cơng mơ hình.
- Ứng dụng thư viện LabVIEW và giải thuật PI

để điều khiển động cơ và thu thập dữ

liệu từ các cảm biến.
 Phạm vi nghiên cứu:
- Thu thập dữ liệu các cảm biến (chiết áp), theo dõi và quản lý hệ thống điều khiển.
- Điều khiển tốc độ động cơ.
- Điều khiển vị trí động cơ.
- Sử dụng tín hiệu cảm biến thay đổi giá trị điểm đặt để điều khiển động cơ.
- Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài.
2


3


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu phần mềm LabVIEW

Sự phát triển của tự động hóa nói riêng và kỹ thuật cơng nghệ nói chung ngày nay càng
ngày càng gắn liền với những thành tựu của công nghệ phần mềm. Nếu như trước kia, việc
thực thi, mô phỏng những hệ thống được thực hiện khó khăn và phức tạp thơng qua lập trình
bằng ngơn ngữ đơn giản, thì ngày nay, xuất hiện ngày càng nhiều những công cụ cho phép
người kỹ sư có thể nhanh chóng xây dựng trong thời gian ngày càng ngắn, công sức và độ
phức tạp ngày càng ít, để xây dựng mơ hình hệ thống và thực thi những bài toán điều khiển
phức tạp.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một trong
những môi trường phát triển và nền tảng của ngơn ngữ lập trình trực quan (Visual
Programming Language) do National Instruments xây dựng. Ngôn ngữ lập trình đồ họa cho
phép người lập trình có thể xây dựng những chương trình một cách trực quan bằng các biểu
đồ, sơ đồ thay vì gõ mã lệnh. Sự phát triển của dạng ngơn ngữ này có lẽ gắn liền với sự thâm
nhập ngày càng sâu của công nghệ thông tin vào các ngành kỹ thuật và ứng dụng, trong đó
người sử dụng khơng cần tốn q nhiều cơng sức cho việc lập trình để có thể xây dựng hệ
thống, thay vào đó có thể tập trung vào ứng dụng của chương trình.
Một trong những ngơn ngữ đó là Graphical Programming Leaguage, viết tắt là G, được
xây dựng đầu tiên bởi Apple Macintos, và được National Instruments (NI) sử dụng để xây
dựng nên bộ công cụ phần mềm LabVIEW nổi tiếng.
Ngôn ngữ G – xương sống của bộ công cụ LabVIEW.
Có thể nói, ngơn ngữ G là linh hồn và xương sống của LabVIEW. Trong suốt quá trình
phát triển của bộ công cụ này, trải qua rất nhiều phiên bản LabVIEW, gần như không thay
đổi về phương thức lập trình của mình, chỉ thêm vào những cơng cụ, thư viện mới, module
và các nền tảng phần cứng mới. Phiên bản mới nhất của LabVIEW hiện nay là 2019.
LabVIEW chủ yếu được sử dụng trong những bài toán thu thập, xử lý dữ liệu, điều khiển
thiết bị, và tự động hóa thiết bị điều khiển. Nó có thể chạy trên nhiều hệ điều hành, từ Mac,
Windows, Linux và cả một số hệ điều hành nhúng khác, có thể thực thi trên Windows
mobile, các thiết bị có Windows CE, và PocketPC.
4

Như đã nói chức năng đầu tiên và mạnh nhất của LabVIEW là thu thập dữ liệu (Data
Acquision hay DAQ). NI hỗ trợ hàng loạt các phần cứng DAQ phong phú về mặt chất
lượng, kích thước, và giá thành cho một số lượng lớn ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp. Và
nếu không muốn bỏ tiền mua những thiết bị đó thì bạn vẫn có thể xây dựng những phần
cứng và giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB, LPT, COM, PCI, Bluetooth, Ethernet,
Wireless, … LabVIEW có một bộ thư viện cho phép chúng ta giao tiếp tốt với những cổng
đó.
Bên cạnh việc hỗ trợ thu thập dữ liệu, LabVIEW cung cấp một thư viện hết sức phong
phú hỗ trợ xử lý tín hiệu và ngơn ngữ lập trình G có cơ chế cho phép người thiết kế quản lý
thời gian thực thi các vòng lặp, quản lý các câu lệnh một cách tương đối chặt chẽ, đồng thời
quản lý tài nguyên, thực thi các vòng lặp song song, xử lý đa luồng, bởi thế những chương
trình LabVIEW có thể đáp ứng rất tốt các yêu cầu về thời gian, thậm chí yêu cầu thời gian
thực.
Một ứng dụng nổi bật khác của LabVIEW là điều khiển thiết bị, và tự động hóa thiết bị
cơng nghiệp. Bởi khả năng xử lý đa luồng và quản lý thời gian thực thi chặt chẽ đó,
LabVIEW trở thành cơng cụ tuyệt vời cho những ứng dụng điều khiển sử dụng máy tính. NI
cung cấp rất nhiều module thu thập, xử lý và điều khiển cho phép xây dựng cả một hệ điều
khiển gắn với máy tính, vừa thực thi thao tác điều khiển hiệu quả, vừa tận dụng khả năng xử
lý tuyệt vời của máy tính cá nhân. Những thiết bị phần cứng (Hardware target) do NI cung
cấp có thể kể đến như: NI Motion (card điều khiển chuyển động), các card PCI cơng nghiệp,
PXI, các bộ điều khiển khả trình PAC, fieldpoint, compactRIO, … có thể nối National
Instruments đã xây dựng nên cả một đế chế thiết bị từ một ngôn ngữ lập trình đơn giãn đến
tuyệt vời.
Ngày nay bên cạnh những hướng đi truyền thống, có vẻ NI đang muốn tập trung vào lĩnh
vực FPGA. Với hướng phát triển này, LabVIEW sẽ thực sự nổi trội với khả năng xử lý song
song, đa luồng vốn đã rất nổi tiếng của mình. Với sự ra đời hàng loạt thiết bị ra/vào khả trình
(Reconfigurable Input/ Output) người thiết kế có thể tùy ghi thay đổi, cấu hình, và thực thi
các nhân xử lý, các vòng lặp song song, để thực hiện những bài tốn xử lý, điều khiển phức
tạp và địi hỏi yêu cầu khắt khe nhất về thời gian.
5

Riêng đối với mơ hình điều khiển động cơ, đọc tín hiệu từ các cảm biến sử dụng
CompactRIO mà nhóm đang thực hiện. LabVIEW cung cấp một bộ xử lý thời gian thực giúp
cho người đánh giá được hiệu quả một cách tối ưu nhất. Ngồi ra, LabVIEW cịn cung cấp
một kho nguồn mở các tài liệu, thuật toán điều khiển để người dùng có thể tham khảo, cùng
với đó là ngơn ngữ G giúp cho người dùng có được cách nhìn trực quan dễ hiểu hơn về thuật
tốn điều khiển. Xây dựng được giao diện người dùng cũng chính là một trong những thế
mạnh của LabVIEW, cái mà những ngơn ngữ lập trình khác hiện nay chưa hỗ trợ (nếu có thì
cách thực hiện cũng phức tạp hơn rất nhiều) giúp cho người sử dụng có thể được một cái
nhìn trực quan và dễ dàng điều khiển thiết bị.
2.2. Giới thiệu phần mềm CATIA
Ngày nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế sản phẩm, điều này giúp
cho công việc của người thiết kế trở nên dễ dàng và tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Một
trong những phần mềm được dùng phổ biến trong kỹ thuật là CATIA. CATIA là một gói
phần mềm tồn diện hỗ trợ CA /CAM/CAE hoàn chỉnh được nghiên cứu và phát triển bởi
hãng Dassault Systemes (của Pháp), đây là một trong những phần mềm mà nhiều tập đoàn
lớn trên thế giới trong các lĩnh vực công nghiệp nặng như ô tô, hàng không, cơ khí hạng
nặng đang sử dụng. Thuật ngữ CATIA là viết tắt của cụm từ “Computer Aided Three
Dimensional Interactive Application”, nghĩa là xử lý tương tác trong khơng gian ba chiều có
sự hỗ trợ của máy tính. Catia V5 phổ biến nhất được viết bằng ngơn ngữ lập trình C++.

6


Hình 2.1 Phần mềm CATIA
Phần mềm thiết kế CATIA cho phép các kỹ sư thiết kế tối ưu hóa bố cục 3D chung; phân
tích và phân bố các chi tiết sản phẩm một cách tối ưu nhất. CATIA tạo điều kiện cho kỹ
thuật hợp tác trên nhiều lĩnh vực xung quanh nền tảng 3D Experience của mình, bao gồm
thiết kế bề mặt và hình dạng, thiết kế hệ thống điện tử, chất lỏng, cơ khí và kỹ thuật hệ

thống.
Với đặc trưng nổi bật là dùng chung cơ sở dữ liệu nên việc chuyển đổi dữ liệu giữa các
môi trường nhanh chóng và thuận tiện và có nhiều module phục vụ cho nhiều mục đích sử
dụng nên CATIA là tiêu chuẩn của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như: xây dựng, cơ khí, tự động hóa, cơng nghiệp ơ tơ, tàu thủy và
cao hơn là cơng nghiệp hàng khơng. Nó giải quyết công việc một cách triệt để, từ khâu thiết
kế mơ hình CA

(Computer Aided

esign), đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM

(Computer Aided Manufacturing, khả năng phân tích tính tốn, tối ưu hóa lời giải dựa trên
chức năng CAE (Computer Aid Engineering) của phần mềm.
Đối với việc thiết kế mơ hình dạy học LabVIEW thì phần mềm CATIA hỗ trợ gần như
tồn diện các câu lệnh giúp cho nhóm thiết kế được sản phẩm đạt được hiệu quả cao và dễ
dàng. Không những thế, các kỹ sư phát triển phần mềm còn cung cấp một khối các thư viện
về các sản phẩm phổ biến giúp cho người dùng không cần phải thiết kế lại. Sau khi bản thiết
kế hoàn thiện, chúng ta có thể xuất bản vẽ và tiến hành gia cơng. Vì có được một bản vẽ
hồn thiện trên CATIA nên lúc gia công, lắp ráp sẽ không gặp nhiều khó khăn và mọi chi
7


tiết, cách bố trí gần như khơng đổi. Có thể nói, phần mềm CATIA giúp cho người sử dụng
có thể tối ưu hóa ý tưởng thiết kế và biến chúng thành thực tế.
2.3. Giới thiệu các module NI CompactRIO
2.3.1. Thông số kĩ thuật CompactRIO NI 9076
2.3.1.1. Thông số kĩ thuật NI 9076

8

Hình 2.2 NI CompactRIO 9076

Hình 2.3 Sơ đồ NI CompactRIO 9076

9


CompactRIO là một bộ điều khiển, có bộ xử lý thời gian thực và đồ họa có thể lập trình
được từ người dùng. CompactRIO kết hợp với các module I/O được cung cấp từ National
Instrument, bộ này được dùng để điều khiển, thu thập dữ liệu và giám sát thiết bị với độ
chính xác rất cao.
 NI CompactRIO 9076 gồm có:
- Khe cắm C Series I / O module.
- Bộ xử lý thời gian thực 400 MHz.
- Một cổng Ethernet 10 / 100BASE-TX.
- Cổng nối tiếp RS232 và cổng USB có sẵn cho các thiết bị ngoại vi.
- Điện áp hoạt động từ 9-30V.
- Nguồn điện khuyến cáo khuyên dùng: 24VDC, 24W.
- Công suất tiêu thụ tối đa 15W.
 Cách thức giao tiếp:
- Giao tiếp với máy tính qua cổng Ethernet:
+ Tốc độ truyền tải dữ liệu: 10Mbps, 100Mbps, tự động điều chỉnh
+ Dây cáp dài tối đa 100m
- Giao tiếp qua cổng RS232:
+ Tốc độ truyền tối đa: 2 0400bps
 Bộ nhớ:
- Bộ nhớ ROM 512 MB.
- Bộ nhớ DRAM 256 MB

2.3.1.2. Hướng dẫn dùng CompactRIO
 Kết nối dây nguồn của CompactRIO 9076:
- Kết nối cực dương của nguồn với chân V trên CompactRIO 9076 và siết chặt đầu vít.
- Kết nối cực âm của nguồn với cực C của khớp nối và siết chặt đầu vít.
- Bật nguồn cấp cho CompactRIO-9076.
 Khởi động lại NI CompactRIO 9076 bằng nút Reset:
Để khởi động lại CompactRIO 9076 ở chế độ an tồn, nhấn và giữ nút Reset trong vịng
5s, sau đó thả ra cho đến khi đèn led trạng thái Status Led vàng sáng.
10


 Led chỉ thị của CompactRIO-9076:

Hình 2.4 Đèn chỉ thị CompactRIO 9076
Power Led:
Đèn Power Led sẽ sáng khi CompactRIO 9076 được cấp nguồn.
Status Led:
Đèn báo trạng thái Status Led sẽ tắt trong suốt quá trình hoạt động. CompactRIO cho biết
các lỗi bằng cách nháy đèn Status Led một số lần nhất định trong vài giây, tham khảo bảng
bên dưới.
Bảng 2.1 Hiển thị các lỗi của đèn Status Led
Số lần nhấp nháy trong

Chỉ thỉ lỗi

Khắc phục

Phát hiện 1 lỗi trong phần mềm.

Nạp lại chương trình

Lỗi này thường gặp phải khi việc

cho thiết bị. Tham

nâng cấp phần mềm bị gián đoạn.

khảo mục Help để biết

1 khoảng thời gian
2

them chi tiết
3

Thiết bị compactRIO đang ở trạng

Ở trạng thái này thiết

thái an toàn

bị hoạt động bình
thường

4

Lỗi này diễn ra khi hệ thống hết

Định dạng lại bộ nhớ

bộ nhớ
Nhấp nháy liên tục

Phát hiện lỗi không thể phục hồi

Liên hệ với National
Instruments

User Led:
Chúng ta có thể xác định được đèn User Led hoạt động bằng cách sử dụng đèn RT LE s
trong LabVIEW.
11


FPGA Led:
Chúng ta có thể sử dụng đèn FPGA Led để giúp gỡ lỗi ứng dụng hoặc dễ dàng truy xuất
trạng thái ứng dụng. Sử dụng module LabVIEW FPGA và phần mềm NI-RIO để xác định
đèn FPGA Led.

Hình 2.5 Thiết bị NI 9205

2.3.2. Giới thiệu module NI 9205

2.3.2.1. Tổng quan về module NI 9205
Module NI 9205 dùng để đọc các tín hiệu Analog Input. NI 9205 gồm có:
- 16 kênh AI Differental.
- 32 kênh AI Sigle-Ended.
- Điện áp đo được từ

200 mV đến

- Độ phân giải mỗi kênh ADC là

10V.
Bit.
12


- Tỉ lệ lấy mẫu 250 kS/s.
- Điện áp cho phép trên mỗi kênh

30VDC.

2.3.2.2. Những lưu ý về mức điện áp cao
Điện áp nguy hiểm là điện áp lớn hơn 42.4 Vpk hoặc 60 VDC nối với Ground. Chúng ta
chỉ có thể kết nối điện áp nguy hiểm cho NI 9205 cổng Spring Terminal. Nếu chúng ta kết
nối NI 9205 với điện áp nguy hiểm thì thực hiện với các bước sau:
- Hãy đảm bảo rằng với điện áp nguy hiểm chỉ được những cá nhân đủ trình độ, tiêu
chuẩn về kỹ thuật điện thực hiện.
- Trên một module không thể sử dụng cùng lúc điện áp nguy hiểm và điện áp an toàn.
- Hãy đảm bảo các thiết bị và mạch điện được cách ly cẩn thận bởi tác động của con
người.
- Khi thiết bị đang sử dụng điện áp nguy hiểm hãy đảm bảo rằng thiết bị và mạch được
cách ly. Tốt nhất chúng ta nên sử dụng bộ kit Conector cho NI 9205 Spring Terminal là
NI 9940 Connector Backshell Kit để tránh các chân Terminal chạm với nhau.
2.3.2.3. Kết nối với module NI 9205
NI 9205 cung cấp 32 chân kết nối cho từng kênh và 16 cặp chân kết nối cho việc dùng
kênh đôi.

13