THIẾT kế ROBOT LEO TRỤ và điều KHIỂN

THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN

MỤC LỤC
Trang tựa.

TRANG

Quy t định giao đ tài. .....................................................................................i
Lý lịch cá nhân. ................................................................................................ii
Lời cam đoan. ...................................................................................................iii
Lời c m ơn. ......................................................................................................iv
Tóm tắt. ............................................................................................................v
M c l c. ............................................................................................................vi
Danh sách các hình...........................................................................................vii
Danh sách các b ng. .........................................................................................viii
Chư ng 1: TỔNG QUAN ..............................................................................1
1.1 Các k t qu nghiên cứu trong và ngoài nước. .......................................1
1.2 M c tiêuvà đối tư ng nghiên cứu. .........................................................8
1.3 Nhi m v của đ tài và ph m vi nghiên cứu. ........................................8
1.4 Phương pháp nghiên cứu. ......................................................................9
Chư ng 2: C

SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................10

2.1 Cơ sở chọn phần m m mô phỏng – lập trình – giám sát .......................10
2.2Phương pháp đi u ch độ rộng xung PWM ............................................14
2.3 Phương pháp đi u khi n PID .................................................................18
2.4 Đi u khi n đồng bộ tốc độ nhi u động cơ theophương pháp ELS ........21
2.5 Phương pháp đi u khi n bám vị trí ........................................................24
Chư ng 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................27
3.1 K t qu mô phỏng đi u khi n đồng bộ tốc độ hai động cơ ...................27

3.1.1 Các thông số mô phỏng ..................................................................27
3.1.2 K t qu mô phỏng với tỉ l v vị trí và vận tốc Kx = 0.7 ...............32
3.1.3 K t qu mô phỏng với tỉ l v vị trí và vận tốc Kx = 1 ..................33
3.1.4 Nhận xét k t qu mô phỏng ............................................................34
3.2 K t qu mô phỏng đi u khi n bám vị trí ...............................................34
3.2.1 Các thông số mô phỏng ..................................................................34
3.2.2 K t qu mô phỏng ..........................................................................36
3.2.3Nhận xét k t qu mô phỏng .............................................................38
vi


THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN

Chư ng 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU C

KHệ ...............................................39

4.1 Phân tích phương án và chọn k t cấu cơ khí .........................................39
4.2 Chọn tr mẫu .........................................................................................39
4.3 Chọn vật li u gia công robot ..................................................................40
4.4 Chọn động cơ truy n động chính ...........................................................42
4.4.1 Phân tích lựa chọn k t cấu động cơ ................................................42
4.4.2 Tính toán lựa chọn công suất động cơ............................................43
4.5 Chọn bánh xe chủ động .........................................................................46
4.6Chọn tr c ép ............................................................................................48
Chư ng 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ...................................................49
5.1 Chọn c m bi n .......................................................................................49
5.1.1 Encorder .........................................................................................49
5.1.2 SRF05 .............................................................................................51
5.2Chọn vi đi u khi n ..................................................................................53

5.2.1 dsPIC30F4011 ................................................................................54
5.2.2 PIC16F628A ...................................................................................55
5.3 M ch công suất ......................................................................................57
5.4 Thi t k giao di n giám sát trên Visual Basic 6.0 .................................58
Chư ng 6: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ..................................................60
6.1Thuật toán đi u khi n bám vị trí cho tr c ép ..........................................60
6.2 Thuật toán đi u khi n đồng tốc ba động cơ ...........................................62
6.3 Công thức sử d ng trong chương trình đi u khi n ................................65
Chư ng 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .....................................................67
7.1 Nhận xét quá trình di chuy n .................................................................67
7.2 Nhận xét k t qu giám sát ......................................................................69
Chư ng 8: KẾT LUẬN ..................................................................................70
8.1 Những k t qu đ t đư c .........................................................................70
8.2 H n ch của đ tài ..................................................................................70
8.3 Hướng phát tri n của đ tài ....................................................................70
TÀI LI U THAM KH O ................................................................................71
PHỤ LỤC .........................................................................................................72
vi


THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Robot rắn.
Hình 1.2: Mẫu robot RISE V2.
Hình 1.3: Mẫu robot RISE V3.
Hình 1.4: Robot Treebot.
Hình 1.5: Robot UT-PCR.
Hình 2.1: Cửa sổ tra cứu thư viện của Simulink.
Hình 2.2: Quá trình lập trình, biên dịch và nạp cho PIC.

Hình 2.3: Cửa sổ làm việc cơ bản của Visual Basic.
Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM.
Hình2.5 :Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM.
Hình 2.6: Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM.
Hình 2.7: Giản đồ xung của khóa điều khiển và đầu ra.
Hình 2.8: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID.
Hình 2.9: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S.
Hình 2.10: Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = Kgh.
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft.
Hình 2.12:

ng dụng điều khiển tùy động vị trí trong hệ thống bám trụ của

robot.
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ Follower theo động cơ Master.
Hình 3.2: Mô hình động cơ một chiều kích từ không đổi.
Hình 3.3: Mạch vòng điều khiển nối tầng dòng điện, tốc độ và vị trí.
Hình 3.4: Mô hình mô phỏng truyền động đồng bộ vị trí hai động cơ DC theo
phương pháp ELS.
Hình 3.5: Vị trí thực hiện của động cơ Master và Follower.
Hình 3.6: Tốc độ động cơ Master và Follower.
Hình 3.7: Vị trí thực hiện của động cơ Master và Follower.
Hình 3.8: Tốc độ động cơ Master và Follower.
Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ khi từ thông không đổi.
Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện.
Hình 3.11: Mô hình mô phỏng hệ điều khiển bám vị trí bằng bộ điều khiển PID.
vii


THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hình 3.12: Tín hiệu điều khiển.
Hình 3.13: Vị trí phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PID.
Hình 3.14: Tốc độ động cơ khi sử dụng bộ điều khiển PID.
Hình 3.15: Dòng điện phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PID.
Hình 4.1: Trụ mẫu cho robot.
Hình 4.2: Bản vẽ tổng quát thiết kế robot.
Hình 4.3: Thân robot.
Hình 4.4: Cấu tạo của động cơ điện DC trục vít bánh xe.
Hình 4.5: Góc nghiêng của mặt trụ so với mặt đất.
Hình 4.6: Sơ đồ phân tích lực khi robot leo trụ.
Hình 4.7: Động cơ DC trục vít bánh xe dùng cho robot.
Hình 4.8: Bánh xe từ với đĩa nam châm vĩnh cửu, đĩa sắt từ và từ thông.
Hình 4.9: Độ giảm lực từ của một bánh xe được bao phủ bởi băng cao su.
Hình 4.10: Bánh xe chủ động dùng cho robot.
Hình 4.11: Trục ép hành trình 150mm.
Hình 4.12: Thiết kế cơ khí hoàn thiện.
Hình 5.1: Cấu tạo của Encoder.
Hình 5.2: Giản đồ xung hai bộ đếm Avà B.
Hình 5.3: Encoder 100 xung.
Hình 5.4: Cảm biến siêu âm SRF05.
Hình 5.5: Chế độ làm việc thứ 1 của SRF05.
Hình 5.6: Chế độ làm việc thứ 2 của SRF05.
Hình 5.7: Sơ đồ chân dsPIC30F4011.
Hình 5.8: Sơ đồ chân PIC16F628A.
Hình 5.9: Mạch nạp PICKIT2-PLUS.
Hình 5.10: Sơ đồ mạch nguyên lý trên Eagle.
Hình 5.11: Sơ đồ mạch cấu tạo trên Eagle.
Hình 5.12: Sơ đồ mạch điều khiển hoàn thiện.
Hình 5.13: Giao diện giám sát trên Visual Basic 6.0.

Hình 7.1: Quá trình di chuỔển của robot.

vii


THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số PID theo phương pháp Zeigler và Nichols thứ nhất.
Bảng 2.2: Các thông số PID theo phương pháp Zeigler và Nichols thứ hai.
Bảng 4.1: Thông số kích thước trụ đứn chiếu sáng ở Việt Nam.
Bảng 5.1: Thông số cơ bản của dsPIC30F4011.
Bảng 5.2: Thông số cơ bản của PIC16F628A.

viii


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Chư ng 1

TỔNG QUAN
1.1 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN C U TRONG VÀ NGOÀI N

C

1.1.1 Các m u thi t k robot leo tr
1.1.1.1 Robot rắn
Các chuyên gia ch tạo máy Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) cho bi t
chú robot r n vừa đ

c ch tạo có th bám ch c vào mọi v t liệu, di chuy n vào

những khu vực nh hẹp mà các loại robot khác không th ti p c n. Đặc biệt, phần
đầu robot đ

c trang bị đèn và máy quay phim độ nét cao, giúp ng

i đi u khi n

dễ dàng quan sát khu vực tr ớc mặt chú robot [12].

Hình 1.1: Robot rắn.
Đặc biệt, thi t k c a chú robot cho phép nó bám ch c vào mọi loại
v t th trong th i gian r t ng n.Ngay khi ti p xúc, các chi ti t máy c a chú robot
r n s co c m, giúp nó bám ch c vào mọi loại v t th , b t k kích th ớc và ch t
liệu.
Các khớp n i c u thành nên chú robot ăn khớp với nhau tới m c
hoàn h o, cho phép robot r n di chuy n mà không gặp ph i b t k tr ngại nào.
Tuy không có bánh xe nh ng cách di chuy n c a robot r n đ

c đánh giá r t cao

nh tính linh hoạt c a nó.
Các nhà thi t k hy vọng, mẫu robot mới s nhanh chóng khẳng định
đ

c kh năng đặc biệt, phát huy tác d ng trong việc tìm ki m, c u nạn

vùng bị nh h

những

ng th m họa, thiên tai hay th m chí ph c v công tác gián điệp.
Trang 1


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Tuy nhiên, robot r n s ph i tr i qua r t nhi u thử nghiệm khác nhằm hoàn thiện
tr ớc khi đ a vào sử d ng.
1.1.1.2 Robot RiSE V2
RiSE là một robot leo phát tri n b i cty Boston Dynamics
(Mỹ),RiSE có hai phiên b n hoàn thành khác nhau.

ng với từng b mặt địa hình

mà robot sử d ng thi t k ngón chân khác nhau.Phiên b n RiSE V2 là một robot
leo t

ng, cây c i và hàng rào [12].
Khi robot leo lên cây, RiSE V2 sử d ng kim cong xâm nh p vào v

cây. Robot có th thay đổi t th c a mình đ phù h p với độ cong c a b mặt
địa hình.

Hình 1.2: Mẫu robot RISE V2.
RiSE V2 có sáu chân, mỗi chân trang bị một cặp động cơ điện, mỗi
chân có haikhớp tự do.

m c t i thi u, luôn có ba chân ti p xúc b mặt c a

gỗ.Đi u này đ m b o rằng robot bám ch c ch n vào gỗ.Robot cũng có một máy
tính đ

c tích h p trên thân robot đ đi u khi n chuy n động chân,qu n lý thông

tin liên lạc và các c m bi n.Robot đ

c đi u khi n từ xa b i một máy tính xách

tay k t n ivới robot thông qua mạng không dây. Một ng
động c a robot.
Trang 2

i s đi u khi n chuy n


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

1.1.1.3 Robot RiSE V3
RiSE V3 là một robot có chân đ

c thi t k chuyên d ng r t năng

động, t c độ leo tr cao, ví d nh một tr điện thoại ngoài tr i. Robot có b n
chân mạnh m , mỗi chân có hai khớp truy n động.B ớc đi đ

c đi u chỉnh một

cách linh hoạt [12].

Hình 1.3: Mẫu robot RISE V3.
Đ leo lên một tr điện thoại bằng gỗ, các robot sử d ng móng vu t
s c nhọn xâm nh p vào gỗ. Móng vu t sử d ng cho các robot đ

c thi t k từ

kim phẫu thu t, đ s c bén đ bám ch c vào gỗ. Hai chân tr ớc bao xung quanh
cột, góc nghiêng phù h p với trọng lực.Hai chân sau bám chặt vào gỗ đ tạo lực
đẩy lên trên.Thi t k móng vu t này đ m b o cho robot RiSE V3 bám r t ch c.
1.1.1.4 Robot Treebot
Treebot đ

c phát tri n b i một nhóm nghiên c u tại Đại học Trung

Qu c (Hồng Kông).Robot đ

c thi t k gi ng nh loài sâu, nó sử d ng một t p

h p các thi t bị truy n động tuy n tính linh hoạt k t n i với hai móng vu t kẹp
[12].

Trang 3


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Hình 1.4: Robot Treebot.
Trong khi robot bám chặt vào một thân cây bằng móng vu t th nh t

thì móng vu t th hai s di chuy n đ n một vị trí mới trên thân cây và bám chặt
vào.Sau đó, móng vu t th nh t s m ra và di chuy n v phía tr ớc đ n một vị
trí mới.Quá trình di chuy n c lặp đi lặp lại nh trên. Đáng chú ý là móng vu t
có b n ngón tay, nó có th bám chặt vào cây mạnh m .Treebot sử d ng c m bi n
đ xác định hình dạng c a một cây, từ đó nó phân tích b mặt và đi u h ớng đ
di chuy n lên thân cây.
Treebot s hữu một kh năng tự động, gi m sự ph c tạp
không cần ng

i đi u khi n.Ng

việc

i sử d ng chỉ đơn gi n là yêu cầu robot di

chuy n trong một h ớng chung, và hệ th ng đi u khi n c a robot tự động xác
định vị trí đ di chuy n. Đ làm đi u này, các robot sử d ng c m bi n c m nh n
hình dạng c a cây. Sử d ng hình th c hồi ti p này thay cho hồi ti p thị giác vì nó
hai u đi m:
- Th nh t, nó cho phép các robot ti t kiệm điện, vì n u robot chạy
bằng pin thì camera s nhanh chóng tiêu th h t điện năng.

Trang 4


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

- Th hai, xử lý các thông tin hồi ti p đ

c ớc tính tr ớc, kh năng

xử lý thông tin nhanh hơn.
1.1.1.5 Robot UT-PCR
Các chuyên gia c a Đại học Tehran (Iran) đư phát tri n một con
robot cực leo tr sử d ng bánh xe có tên là UT-PCR. Nhiệm v c a UT-PCR là
vệ sinh b i bẩn trên bóng đèn chi u sáng đ

ng cao t c [14].

Hình 1.5: Robot UT-PCR.
UT-PCR có thi t k hình tam giác với sáu bánh xe, ba bánh xe
truy n động chính nằm phía d ới đ

c k t n i với động cơ DC, ba bánh xe hổ

tr nằm phía trên nhằm tăng sự cân bằng cho robot.Theo thi t k c a nó, UTPCR có một s tính năng thu n l i so với các robot cực leo tr hiện có:
- Trọng l

ng robot gi m vì có ít chi ti t truy n động.

- Kh năng di chuy n nhanh.
- Robot có th di chuy n trên nhi u b mặt khác nhau nh tr s t, tr
gỗ, tr bê tông, …
1.1.2 Phư ng án thi t k robot leo tr
Tr ớc khi đ a ra h ớng thi t k ,ta đư đ a ra nhi u ý t
hiện.Sau khi lựa chọn đ

ng có th thực

c thi t k tổng th , ta b t đầu thi t k các bộ ph n chi

ti t khác nhau đ hoàn thành thi t k . Các thi t k chi ti tbao gồm:
- Thi t k thân robot.
Trang 5


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

- Lựa chọn cách th c di chuy n.
- Thi t k chân robot.
- Lựa chọn động cơ.
- Chọn thi t bị đi u khi n.
- Chọn phần m m hổ tr .
1.1.2.1 Thi t k b n chân
Thi t k cơ b n nh t mà chúng ta đư th y trong nghiên c u là một
thi t k b n chân nh robot RiSE V3.Bằng cách sử d ng b n chân trên robot, ta
gi m s chi ti t truy n động và công su t tiêu th khi robot di chuy n.Thi t k
b nchân cũng cho phép các robot có kh năng di chuy n với mỗi b ớc chân xa
hơn, v

t địa hình t t hơn [12].
Sử d ng thi t k b n chân đặt ra một s v n đ nh sau: ph i giữba

chân ti p xúc với cây vì lý do an toàn, chỉ có một chân đ

c phép di chuy n tại

một th i đi m. Robot di chuy n lên tr theo ki u này s ch m so với thi t k
nhi u chân. Thi t k khác có th đạt đ

c chuy n động nhanh hơn bằng việc có

nhi u chân và có th di chuy n nhi u chân cùng một lúc.
1.1.2.2 Thi t k sáu chân
Thi t k sáu chân nh robot RISE V2 cho phép giữbachân ti p xúc
với đ i t

ng trong khi cũng có th di chuy n ba chân khác lên, u đi m c a

chuy n động này là độ bám đ

c gia tăng.Đi u này cho phép nhịp đi c a robot

nhanh và nhịp nhàng hơn nh ng lại tạo ra các v n đ truy n độngph c tạp
hơn.Có nhi u chân thì robot s nặng hơn và t n nhi u năng l

ng hơn trong quá

trình di chuy n.Đặt nhi u chân trên một cơ th có cùng kích th ớc cũng có nghĩa
là hai chân

cùng một phía không th b ớc xa hơn vì kho ng cách giữa hai chân

vị trí này r t gần nhau [12].
1.1.2.3 Thi t k t nhi u chân
Robot nhi u chân là một mẫu robot phân đoạn với hai chân cho mỗi
phân đoạn. Thi t k dựa trên hoạt động c a một con r t. Thi t k này s cho phép
chúng ta dễ dàng đi u h ớng cho robot trong lúc nó di chuy n [12].
Thi t k này s không phù h p với đ tài vì s l

ng c a bộ ph n

chuy n động và kích th ớc c a robot s khá lớn, và nó s không th hoàn
Trang 6


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

thànhvới nguồn lực và th i gian mà ta đư có sẵn.Một v n đ khác là làm th nào
đ ki m soát sự chuy n động robot. Với r t nhi u bộ ph n chuy n động, nó s r t
khó đi u khi n và giám sát khi v n hành.
Robot này s có nhi u đi m ti p xúc với đ i t

ng khi nó di

chuy n.Tuy nhiên, đ hoạt động t t nó đòi h i sự linh hoạt c a nhi u bộ ph n
chuy n động.Đây là y u t hạn ch nên ta không sử d ng thi t k này. Hệ th ng
đi u khi n đ sử d ng thi t k này s là ph c tạp và lớn đ theo dõi từng phân
khúc c a robot. Thi t k này cũng s đòi h i một s l
một nguồn cung c p năng l

ng lớn các động cơ và

ng lớn.

1.1.2.4. Thi t k ki u sơu đo
Robot ki u sâu Treebot là một thi t k với hai móng vu t. Thi t k
này khá đơn gi n và chân c a robot này có th bám vững ch c trên b mặt đ i
t

ng. Ng

i ta đư sử d ng một phân đoạn cột s ng đ làm bộ ph n đ a robot

ti n v phía tr ớc [12].
Tuy nhiên, đ hoạt động t t nó đòi h i sự linh hoạt c a nhi u bộ
ph n chuy n động.Đây cũng là y u t hạn ch nên ta không sử d ng thi t k này.
1.1.2.5. Thi t k bánh xe
Robot bánh xe UT-PCR là một thi t k phù h p nh t cho đ tài này
[14]. Đây cũng là thi t k đơn gi n nh t trong quá trình nghiên c u [8].
u điểm:
- Thi t k đơn gi n, ít chi ti t truy n động, d ki m tra giám sát.
- Trọng l

ng robot nhẹ.

- Kh năng di chuy n nhanh.
- Robot có th di chuy n trên nhi u b mặt khác nhau nh tr s t, tr
gỗ, tr bê tông, …
Nhược điểm:
- Ph i thi t k hệ th ng phanh hãm cho bánh xe.
- Kích th ớc robot ph i ph thuộc vào chu vi tr .

1.2 MỤC TIểU VÀ Đ I T

NG NGHIÊN C U
Trang 7


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

M c tiêu c a lu n văn là mô ph ng, ki m ch ng, thi t k và ng d ng bộ
đi u khi n cho Robot leo tr . Bộ đi u khi n này ph i đ m b o các tiêu chuẩn:
- T c độ c a ba động cơ ph i luôn đồng bộ với nhau.
- Khi đ

ng kính tr thay đổi thì bộ ph n tạo lực ép tùy chỉnh sao cho

lực ép bánh xe vào tr là không đổi.
Đ it

ng t p trung nghiên c u c a lu n văn gồm hai v n đ :

- Th nh t, đi u khi n đồng bộ t c độ nhi u động cơ theoph ơng pháp
ELS k t h p với ph ơng pháp đi u xung PWM.
- Th hai, đi u khi n động cơ tạo lực ép theo ph ơng pháp đi u khi n
bám vị trí.
1.3 NHIỆM VỤ C A ĐỀ TÀI VÀ PH M VI NGHIÊN C U
1.3.1 Nhi m v c a đ tài
Đ thực hiện m c tiêu trên, lu n văn “Thiết kế Robot leo trụvà điều
khiển” t p trung các v n đ sau:
- Thi t k k t c u cơ khí cho Robot.
- Lựa chọn ph ơng pháp đi u khi n phù h p.
- Mô ph ng đ ki m tra độ tin c y c a bộ đi u khi n.
- Thi t k cơ c u tạo lực ép cho bánh xe truy n động chính.
- Sử d ng encoder đ đọc tín hiệu t c độ, từ đó xây dựng thu t toán đồng
t c.
- Sử d ng c m bi n siêu âm đo sai lệch vị trí, từ đó xây dựng thu t toán
đi u khi n bám vị trí.
- Thi t k mạch đi u khi n và remote đi u khi n.

- L p trình vi đi u khi n theo thu t toán c a bộ đi u khi n đư thi t k .
- Ki m tra k t qu đạt đ

c và đi u chỉnh sai s thông qua hoạt động

thực t c a Robot.
- Nh n xét k t qu và k t lu n.

1.3.2 Ph m vi nghiên c u
Trang 8


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

- Robot đ
200mm và đ

c thi t k phù h p với những tr có đ

ng kính đỉnh không nh hơn 50mm.

- Bộ ph n phun sơn và vệ sinh ch a đ
- Cách th c đi u khi n chỉ dừng lại
1.4 PH

ng kính đáy d ới

c l p thực nghiệm trên robot.
đi u khi n hữu tuy n.

NG PHÁP NGHIểN C U

- Sử d ng ph ơng pháp hình họcl

ng giác, phân tích lực đ tính toán lựa

chọn động cơ truy n động chính cho robot.
-

ng d ng ph ơng pháp đi u khi n đồng bộ t c độ nhi u động cơ (ELS) k t

h p với ph ơng phápđi u xung PWM đ đi u khi n động cơ.
-

ng d ng ph ơng pháp đi u khi n bám vị trí đ đi u khi n tr c ép cho

bánh xe truy n động chính.
- Sử d ng k t qu mô ph ng k t h p với k t qu thực nghiệm đ ki m ch ng
độ tin c y c a bộ đi u khi n.

Chư ng 2
Trang 9


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

C
2.1 C

SỞ LÝ THUYẾT

SỞ LỰA CH N PH N MỀM MÔ PHỎNG ậ LẬP TRÌNH ậ GIÁM
SÁT

2.1.1 Gi i thi u v Simulink trong Matlab
Đ i với kỹ s đi u khi n ậ tự động hóa nói riêng và những ng

i nghiên

c u khoa học ậ kỹ thu t nói chung, mô ph ng là công c quang trọng cho phép
kh o sát các đ i t

ng, hệ th ng hay quá trình kỹ thu t ậ v t lý, mà không nh t

thi t ph i có đ i t

ng hay hệ th ng thực. Matlap đ

c trang bị một công c mô

ph ng mạnh và các ph ơng pháp mô hình hóa, ta s rút ng n th i gian và gi m
chi phí nghiên c u ậ phát tri n s n phẩm.

Hình 2.1: Cửa sổ tra cứu thư viện của Simulink.

Trang 10


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Simulink là một Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng, nó là một công
c mạnh ph c v mô hình hóa và mô ph ng và kh o sát các hệ th ng động học.
Giao diện đồ họa trên màn hình Simulink cho phép th hiện hệ th ng d ới dạng
sơ đồ tín hiệu với các kh i ch c năng quen thuộc. Simulink cung c p cho ng
sử d ng một th viện r t phong phú, có sẵn với s l

i

ng lớn các kh i ch c năng

cho các hệ tuy n tính, phi tuy n và gián đoạn. Hơn th , ng

i sử d ng cũng có

th tạo nên các kh i riêng cho mình [7].
Sau khi đư xây dựng mô hình c a hệ th ng cần nghiên c u, bằng cách
ghép các kh i cần thi t thành sơ đồ c u trúc c a hệ, ta có th kh i động quá trình
mô ph ng.Trong quá trình mô ph ng ta có th trích tín hiệu tại vị trí b t kỳ c a
sơ đồ c u trúc và hi n thị đặc tính c a tín hiệu đó trên màn hình. N u có nhu cầu
ta có th c t giữ các đặc tính đó vào môi tr

ng nhớ (ví d : c t lên đĩa c ng).

Việc nh p hoặc thay đổi tham s c a t t c các kh i cũng có th đ

c thực hiện

r t đơn gi n bằng cách nh p trực ti p hay thông qua Matlap. Đ kh o sát hệ
th ng ta có th sử d ng thêm các Toolbox nh Signal Processing (xử lý tín hiệu),
Optimization (t i u) hay Control System (Hệ th ng đi u khi n).

2.1.2 Gi i thi u ph n m m l p trìnhCCS
2.1.2.1 Vì sao ta s d ng CCS
Sự ra đ i c a một loại vi đi u khi n đi kèm với việc phát tri n phần
m m ng d ng cho việc l p trình con vi đi u khi n đó. Vi đi u khi n chỉ hi u và
làm việc với hai con s 0 và 1. Sau này khi ki n trúc c a vi đi u khi n ngày càng
ph c tạp, s l

ng thanh ghi lệnh nhi u lên, việc l p trình với dãy các s 0 và 1

không còn phù h p nữa, đòi h i ph i ra đ i một ngôn ngữ mới thay th . Đầu tiên
là ngôn ngữ Assemly (ASM), sau này khi ngôn ngữ C ra đ i. Nhu cầu dùng ngôn
ngữ C thay th cho ASM trong việc mô t các lệnh l p trình cho vi đi u khi n
một cách ng n gọn và d hi u hơn đư dẫn đ n sự ra đ i c a nhi u ch ơng trình
soạn th o ậ biên dịch C cho vi đi u khi n: Keil C, HT-PIC, Mikro C, CCS, …
Tôi chọn CCS cho bài giới thiệu này vì CCS là một công c l p trình
C mạnh cho vi đi u khi n PIC.Những u và nh
trong các phần d ới đây.

Trang 11

c đi m c a CCS s đ

cđ c p


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

2.1.2.2 Gi i thi u CCS
CCS là trình biên dịch dùng ngôn ngữ C l p trình cho VĐK. Đây là
ngôn ngữ l p trình đầy s c mạnh, giúp bạn nhanh chóng trong việc vi t ch ơng

trình hơn so với ngôn ngữ Assembly [8].
Mã lệnh đ

c t i u khi biên dịch.

Tuy nhiên C không ph i là vạn năng, có th thực hiện mọi th nh ý
mu n. Trong một s tr
ti n

ng h p, nó có th sinh mã chạy sai (tham kh o các c i

các version CCS trên web: info.CCS.comhoặc trang web đi kèm).
CCS ch a r t nhi u hàm ph c v cho mọi m c đích và có r t nhi u

cách l p trình mã cho cùng mộtv n đ dẫn đ n khác nhau t c độ thực thi mã, độ
dài ch ơng trình. Sự t i u là do kỹ năng l p trình C c a bạn.
CCS C có đ kh năng đ bạn không cần ph i chèn thêm b t kỳ dòng
lệnh ASSEMBLY nào, và mặc dù vẫn cho phép bạn ph i h p ASSEMBLY cùng
với C, tuy nhiên CCS s không b o đ m ch ơng trình chạy chính xác.
CCS cung c p các công c tiện ích giám sát hoạt động ch ơng trình
nh C/ASM list: cho phép xem mã ASM c a file bạn biên dịch, giúp bạn qu n lý
mã và n m đ

c các th c mã sinh ra và nó chạy nh th nào, là công c r t quan

trọng, bạn có th gỡ r i ch ơng trình và n m đ

c hoạt động c a nó; SYMBOL

hi n thị bộ nhớ c p phát cho từng bi n, giúp qu n lý bộ nhớ các bi n ch ơng

trình,. . . CallTree hi n thị phân bổ bộ nhớ.
Có nhi u tiện ích trong m c Tools, nh ng do b n Crack nên nhi u
phần không xài đ

c.

Ch ơng trình CCS dùng cho lu n văn này là PCW COMPILER
version 4.104, bao gồm : PCB, PCM và PCH , l p trình cho các họ PIC 10 bit,12
bit, 14 bit, PIC 18 và DsPIC.
Trình biên dịch c a PIC C compiler s chuy n ch ơng trình theo
chuẩn c a C thành dạng ch ơng trình theo mư Hexa (file.hex) đ nạp vào bộ nhớ
c a PIC. Quá trình chuy n đổi đ

c minh hoạ nh Hình 2.2.

Trang 12


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Hình 2.2: Quá trình lập trình, biên dịch và nạp cho PIC.
2.1.3 Gi i thi u ph n m m giám sát Visual Basic 6.0
Visual Basic 6.0 cho phép ng
trên môi tr

i dùng ti p c n nhanh cách th c l p trình

ng Windows [9]. u đi m:
- Ti t kiệm đ

c th i gian và công s c so với một s ngôn ngữ l p

trình có c u trúc khác vì bạn có th thi t l p các hoạt động trên từng đ i t
đ

ng

c VB cung c p.
- Khi thi t k ch ơng trình có th th y ngay k t qu qua từng thao

tác và giao diện khi thi hành ch ơng trình.
- Cho phép chỉnh sửa dễ dàng, đơn gi n.
- Làm việc với các đi u khi n mới (ngày tháng với đi u khi n
MonthView và DataTimePicker, các thanh công c

có th di chuy n đ

c

CoolBar, sử d ng đồ họa với ImageCombo, thanh cuộn FlatScrollBar,…).
- Làm việc với cơ s dữ liệu.
- Các bổ sung v l p trình h ớng đ i t

ng.

- Kh năng k t h p với các th viện liên k t động DLL.
Trong lu n văn này, tôi sử d ng Visual Basic 6.0 đ thi t k giao diện và
l p trình giao ti p với vi đi u khi n. M c đích là đ truy n t i những thông s
c a vi đi u khi n lên PC thông qua giao ti p n i ti p (UART), hi n thị những
thông s hoạt động c a robot.

Trang 13


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Hình 2.3: Cửa sổ làm việc cơ bản của Visual Basic.
2.2 PH

NG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM

2.2.1 Gi i thi u phư ng pháp đi u xung PWM
Ph ơng pháp đi u xung PWM (Pulse Width Modulation) là ph ơng pháp
đi u chỉnh điện áp ra t i, hay nói cách khác, là ph ơng pháp đi u ch dựa trên
sựthay đổi độ rộng c a chuỗi xung vuông, dẫn đ n sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi bi n đổi thì có cùng một tần s , chỉ khác nhau v độ rộng
c as

n d ơng hay s

n âm.

Trang 14


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N
T
12V
20% duty cycle
0

12V
40% duty cycle
0
12V
90% duty cycle
0

Hình 2.4: Đồ thị dạng ồung điều chế PWM.
2.2.2

ng d ng c a PWM trong đi u khi n

Trong động cơ :Ph ơng pháp đi u xung PWM r t hay đ

c sử d ng

trong động cơ đ đi u khi n nhanh, ch m, thu n,nghịch và ổn định t c độ.
Ph ơng pháp này ng d ng nhi u trong đi u khi n động cơ DC.
Trong các bộ biến đổi ồung áp: Trong các bộ bi n đổi xung áp thì PWM
đặc biệt quan trọng trong việc đi u chỉnh dòng điện và điện áp ra t i.Bộ bi n đổi
xung áp có nhi u loại nh là bi n đổi xung áp n i ti p và bộ bi n đổi xung áp
song song.
Ngoài ra, PWM còn đ

c sử d ng trong các bộ chuy n đổi DC ậAC,

bi n tần, nghịch l u.
PWM gặp nhi u trong thực t

các mạch điện đi u khi n, các thi t bị

điện ậ điện tử. PWM cũng chính là ph ơng pháp mà các đội Robocon sử d ng đ
đi u khi n động cơ hay ổn định t c độ động cơ.

Trang 15


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

PWM
Source

DC

Rt

Hình2.5 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM.
2.2.3 Nguyên lý ho t đ ng c a PWM
Ph ơng pháp đi u xung PWM là ph ơng pháp đ

c thực hiện theo

nguyên t c đóng ng t nguồn c a t i một cách có chu kì theo lu t đi u chỉnh th i
gian đóng c t. Phần tử thực hiện là các van bán dẫn: Mosfet, BJT, IGBT, …
Van G
D

S

G

DC

Ud

Ugs

Rt

PWM

Hình 2.6: Mạch nguỔên lý điều khiển tải bằng PWM.

Trang 16


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Ugs

t on

t off

0

t

T
Ud

0

t

Hình 2.7: Giản đồ xung của khóa điều khiển và đầu ra.
Nguyên lý:
Trong kho ng th i gian ton, ta cho van G m , toàn bộ điện áp nguồn
Ud đ

c đ a ra t i. Còn trong kho ng th i gian toff, cho van G khóa, c t nguồn

cung c p cho t i.Đi u quan trọng nh t cần chú ý c a một tín hiệu PWM chính là
chu kỳ và tần s luôn không đổi.Chỉ có th i gian ON (xung

m c cao) và th i

gian OFF (xung xu ng m c th p) là thay đổi. Dễ hi u hơn là c th i gian ON
tăng thì th i gian OFF s ph i gi m và ng

c lại đ tổng th i gian ON và th i

gian OFF là không đổi, đó là chu kỳ c a PWM.

T  ton  toff

(2.1)

Xung vuông s là tr ng h p đặc biệt c a xung PWM với chu kì làm
việc là 0,5 (hay 50% duty cycle).

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:

U d  U max

ton
T

(V)

Trang 17

(2.2)


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Hay

U d  U max . D (V)

Trong đó:

D

(2.3)

ton
: chu kì làm việc(duty cycle),đơn vị (%).
T

ton: th i gian xung

m c cao (khóa m ).

T: chu kì đi u xung PWM.
Umax: là điện áp nguồn cung c p cho t i.
Nh v y ta nhìn trên Hình 2.4 đồ thị dạng đi u ch xung, ta có điện áp
trung bình trên t i s là :

D  20% :

U d  12.20%  2, 4

(V)

D  40% :

U d  12.40%  4,8

(V)

D  90% :

U d  12.90%  10,8

(V)

2.2.4 Các cách đ t o ra đư c PWM
Đ tạo đ

c ra PWM thì hiện nay có hai cách thông d ng: Bằng phần

c ng và bằng phần m m.
- Trong phần c ng có th tạo bằng ph ơng pháp so sánh hay là từ
các IC dao động tạo xung vuông nh : 555, LM556, ...
- Trong phần m m có th tạo bằng cách l p trình cho vi đi u khi n.
u đi m c a ph ơng pháp này là độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần c ng và
ng

i ta hay sử d ng phần m m đ tạo PWM.
Trong lu n văn này, tôi sử d ng vi đi u khi n dsPIC30F4011 đ tạo ra

PWM đi u khi n t c độ ba động cơ DC.
2.3 PH

NG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID

2.3.1 Gi i thi u b đi u khi n PID
Bộ đi u khi n PID đ

c sử d ng r t rộng rưi trong thực t đ đi u khi n

các hệ SISO theo nguyên lý hồi ti p. Cácđ i t

ng đi u khi n phổ bi n nh nhiệt

độ lò nhiệt, t c độ động cơ, mực ch t l ng trong bồn ch a...
w

+

e
-

PID

u

Đối tượng
ĐK

y

Hình 2.8: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID.
Trang 18


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

N u các thông s c a bộ đi u khi n đ

c chọn lựa thích h p, nó có kh

năng làm triệt tiêu sai s xác l p, tăng t c độ đáp ng quá độ, gi m độ vọt l . Bộ
đi u khi n PID đ

c mô t bằng mô hình vào ậ ra [6]:

t
de 


1
u(t )  K P  e(t )   e(t ) dt  TD (t ) 
TI 0
dt 


Trong đó:

(2.4)

e(t) ậ tín hiệu đầu vào.
u(t) ậ tín hiệu đầu ra.
kp ậ hệ s khu ch đại.
TI ậ hằng s tích phân.
TD ậ hằng s vi phân.

2.3.2 Ch n thông s PID
Có hai cách xác định thông s PID:
- Ph ơng pháp tính toán: gi i thu t Zeigler và Nichols.
- Ph ơng pháp thử sai: bằng thực nghiệm.
Zeigler và Nichols đ a ra hai cách chọn thông s bộ đi ukhi n PID tùy
theo đặc đi m c a đ i t

ng.

Cách 1:Dựa vào đáp ng quá độ c a hệ h , cách này áp d ng cho các
đ it

ng có đáp ng đ i với tín hiệu vào là hàm n c có dạng chữ S, ví d nh

nhiệt độ lò nhiệt, t c độ động cơ,…[6].

Hình 2.9: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S.

Trang 19


THI T K ROBOT LEO TR VÀ ĐI U KHI N

Bảng 2.1: Các thông số PID theo phương phápZeigler và Nichols thứ nhất.

Cách 2:Dựa vào đáp
cácđ i t

ng quá độ c a hệ kín, cách này áp d ng cho

ng có khâu tích phân lý t

ng, ví d nh mực ch t l ngtrong bồn

ch a, vị trí hệ truy n động dùng động cơ,...[6]. Đáp ngquá độ (hệ h ) c a các
đ it

ng có khâu tích phân lý t

ng không có dạng chữ S mà tăng đ n vô cùng.

Cách này thực hiện nh sau:

- Thay bộ đi u khi n PID trong hệ kín bằng bộ khu ch đại.
- Tăng hệ s khu ch đại tới giá trị tới hạn kth đ đáp ng ngõ ra
c a hệ kín

trạng thái xác l p là dao động ổn định với chu kì Tgh.
- Xác định chu kì Tgh c a dao động.

Hình 2.10: Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = Kgh.
Bảng 2.2: Các thông số PID theo phương phápZeigler và Nichols thứ hai.

Trang 20