ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - THIẾT KẾ CHẾ TẠO MỘT MÔ HÌNH XE SEGWAY ĐƠN GIẢN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT CÂN BẰNG CON LẮC NGƯỢC

MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................................................................. 1
PHẦN I:
1.
2.
3.
PHẦN II:
1.
2.
3.

GIỚI THIỆU.......................................................................................................................... 2
TÌM HIỂU VỀ XE SEGWAY: ............................................................................................................ 2
ĐẶT VẤN ĐỀ:............................................................................................................................... 4
CÁC MÔ HÌNH TRONG THỰC TẾ: ................................................................................................... 5
THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ ............................................................................................... 6
SƠ ĐỒ ĐỘNG: .............................................................................................................................. 6
CÁC PHƢƠNG ÁN CƠ THIẾT KẾ CƠ KHÍ: .......................................................................................... 6
MƠ HÌNH THIẾT KẾ: ..................................................................................................................... 9

PHẦN III: CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................................10
1.
2.

TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG: ........................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
THIẾT LẬP SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TRÊN MATLAB SIMULINK: .......ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED.

PHẦN IV:
1.

2.
3.
PHẦN V:
1.
PHẦN VI:
1.
2.

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN .....................................................................................................10
MẠCH NGUỒN: ...........................................................................................................................10
MẠCH ĐIỀU KHIỂN: ....................................................................................................................11
MẠCH CÔNG SUẤT: .....................................................................................................................13
LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT........................................................................................................14
LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT: ..................................................................................................................14
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ..................................................................................................25
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: .............................................................................................................25
NHẬN XÉT: ................................................................................................................................25

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................................................26


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

LỜI NÓI ĐẦU
Segway là một mơ hình xe điện gọn nhẹ, d sử dụng. Là một loại xe cân
bằng chỉ có 2 bánh,kết hợp một hệ thống cơ điện tử hồn hảo, có thể sử dụng
để di chuyển trên vỉa hè, làn đƣờng dành cho xe đạp hoặc đƣờng giao thông đã
đ p ứng đƣợc nhu cầu trên và đƣợc mọi ngƣời sử dụng rộng rãi. Đề tài đồ án

tìm hiểu về xe cân bằng 2 bánh Segway tạo cơ hội cho chúng em ứng dụng
những kiến thức đã học vào thiết kế chế tạo một mơ hình xe Segway đơn giản
dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngƣợc.
Đồ án môn học giúp cho sinh viên vận dụng kiến thức đã học trong c c môn
chuyên ngành vào việc thiết kế một hệthống Cơ điện tử cụ thể. Hồn thành tốt
đồ án mơn học này sẽ tạo điều kiện cho sinh viên thực hiện tốt luận v n tốt
nghiệp sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn nhiệt tình củacác thầy trong
khoa Cơ khí cùng bạn bè trong q trình thực hiện đồ án môn học này. Với
kiến thức và kinh nghiệm c n hạn hẹp, do đ thiếu s t là điều không thể tr nh
khỏi, chúng em mong nhận đƣợc ý kiến để đồ n này đƣợc hoàn thiện hơn

1


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

PHẦN I:

GVHD TS Nguy n V n Gi p

GIỚI THIỆU

1. Tìm hiểu về xe Segway:
Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân
Segway), thƣờng đƣợc gọi tắt là Segway, là một phƣơng tiện giao thơng cá
nhân có hai bánh, hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamem phát
minh. Loại xe này đƣợc sản xuất bởi công ty Segway Inc. ở bang
NewHampshire. Từ "Segway" phát âm gần giống với "segue" (một từ gốc
tiếng ý c nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng").

 Nguyên lý hoạt động:
- Nghiêng ngƣời về phía trƣớc để tiến về phía trƣớc.
- Nghiêng ngƣời ra sau để giảm tốc, dừng lại hoặc đi lùi
- Thân ngƣời thẳng đứng sẽ giữ cho xe đứng yên tại chỗ.
- Nghiêng cần lái về phía phải để quay phải,về phía tr i để quay trái.

2


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

 Cấu tạo xe Segway:
Segway bao gồm các cảm biến, hệ thống điều khiển và một hệ thống động
cơ

3


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

2. Đặt vấn đề:
 Mô tả đồ án:
Mỗi nhóm thiết kế gồm 3 sinh viên làm một mơ hình xe hai bánh với kích
thƣớc nhỏ với các tiêu chí sau:
- Tiết kiệm vật liệu.

- Hoạt động tốt.
- Tính thẩm mỹ.
 Yêu cầu của đồ án:
- Mơ hình chỉ đƣợc sử dụng động cơ DC, biến trở và bộ điều khiển PID.
- Tập báo cáo bao gồm phần thiết kế và bản vẽ cơ khí, chƣơng trình mơ
phỏng bộ điều khiển PID, mạch điện và chƣơng trình điều khiển.
- Thực hiện việc đua mơ hình xe 2 b nh với nhau.
 Kích thƣớc đƣờng đua:

Đƣờng đua dài 2000mm rộng 400mm. Cuối đƣờng đua c tấm bìa cao
2mm.
Luật đua:
- Xe mơ hình khơng đƣợc chạy ra khỏi đƣờng đua và ngã trên đƣờng đua
- Xe mơ hình chạy về đích vƣợt qua tấm bìa đen mà khơng bị ngã.

4


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

3. Các mơ hình trong thực tế:
Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot

5


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

PHẦN II:

GVHD TS Nguy n V n Gi p

THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ

1. Sơ đồ đợng mơ hình:

2. Các phương án cơ thiết kế cơ khí:
2.1 Lựa chọn bộ phận truyền động:
a. Truyền động b nh r ng
 Ƣu điểm:
- Kích thƣớc nhỏ, khả n ng tải lớn
- Tỷ số truyền khơng thay đổi do khơng có hiện tƣợng trƣợt trơn
 Nhƣợc điểm:
- Chế tạo phức tạp
6


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

- Ồn khi vận tốc lớn
- Đảm bảo khoảng c ch trục chính x c
b. Truyền động bằng đai
 Ƣu điểm:
- Êm và không ồn
- Kết cấu đơn giản
 Nhƣợc điểm:

- Hiện tƣợng trƣợt đàn hồi
Kết luận: -

Chọn phƣơng n truyền động b nh r ng.
Mơ hình sử dụng bộ truyền b nh r ng nhựa
Chọn tỉ số truyền từ trục động cơ đên trục b nh xe là u13 = 6

2.2 Vật liệu khung mơ hình:
- Sử dụng Mica (nhựa PPC tổng hợp) c ƣu điểm nhẹ, bền, và thẩm mĩ.
2.3 Mối ghép các chi tiết:
a. Ghép nối các chi tiết cấu tạo thân mơ hình:
 Phƣơng n 1:
Dùng bulong hoặc vít để ghép nối các chi tiết
 Ƣu điểm:
- Cấu tạo đơn giản
- Ghép nối tốt, d tháo lắp
- Gi thành tƣơng đối thấp do đƣợc tiêu chuẩn hóa
 Nhƣợc điểm:
- Độ bền mỏi của mối ghép ren
- Mối ghép bị lỏng khi bị va đập nhiều

7


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

Hình 1 - Ghép nối bằng bulong và đai ốc.
 Phƣơng n 2: Dùng keo dán để ghép nối các chi tiết.

 Ƣu điểm:
- Tiết kiệm chi phí
- D thực hiện
 Nhƣợc điểm:
- Khó tháo lắp
Kết luận: Vì yêu cầu độ cứng vững và sự tháo lắp linh hoạt của mơ hình
để di chuyển và thay thế nên chọn PA 1. Kết hợp sử dụng PA 2 với mơ
hình hồn chỉnh.
b. Lắp ráp ổ lăn:
- Tạo mối ghép độ dơi cố định vịng ngồi ổ l n vào gi đỡ và giữa vòng
trong ổ l n với trục.
 Ƣu điểm:
- Đơn giản, d thực hiện
- Đảm bảo độ đồng tâm
 Nhƣợc điểm:
- Khó tháo lắp
- Có thể làm hỏng bề mặt ghép khi tháo lắp

8


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

3. Mơ hình thiết kế:

Hình – Mơ hình version 1.0

Hình - Bản vẽ 2D

9


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

PHẦN III:

PHẦN IV:

GVHD TS Nguy n V n Gi p

CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN

1. Mạch nguồn:

Hình -Mạch nguồn 5V DC

10


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

 Các bộ phận chính và chức n ng
STT
1

Tên cụm
Điot cầu 5A

2

LM7805

3
4
7

Led
Tụ phân cực C1,C5
Tụ không phân cực
C3 và C4

8

Điện trở công uất 2

Chức năng
Chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ
biến áp (ở đây em lấy đầu vào là 12V)
Chuyển điện áp 12V đầu vào thành
5V,dòng danh nghĩa là 1A
Báo nguồn vào
Lọc điện áp gợn
C3 _lọc gai cao
C4_lọc gai thấp

,đảm bảo điện áp ra ổn định 5V
Chịu dòng cho L
5

2. Mạch điều khiển:

11


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

Hình -Mạch vi điều khiển PIC 1 f4431

12


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

3. Mạch cơng suất:

Hình -Mạch công suất

STT
1

Tên cụm

IC
driver
LMD18200T

Chức năng
: C chuyên dụng để điều khiển đ ng c
gồm:
- Chân PWM, DIR, BRAKE

2
3
4

Led
Tụ gốm 1 3
Các tụ còn lại

Báo nguồn
Lọc đầu ra cho đ ng c
Lọc điện áp gợn và chống nhiễu

13


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT

PHẦN V:
1. Lưu đồ giải thuật:

Start

Đọc ADC

Tính sai lệch và tính
to n duty xung
PWM bằng bộ PID
Đ ng
Duty >0
Sai

Đ ng
Duty <0

Xuất PWM và
chiều quay thuận

Xuất PWM và
chiều quay nghịch

Sai
Stop PWM

End

H23-Giải thuật điều khiển

14


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

#include <18F4431.h>
#device *=16 ADC=10
#use delay(clock=20000000)
#fuses NOWDT,PUT,HS,NOLVP,BROWNOUT
#include <LCD_4bit_24_8.h>

#define DIR PIN_b1
#define BRK PIN_b0

int1 do_PID=0;
signed int en0, en1, en2, en3, term1_char, term2_char, off_set;
long temp_int;
long ki=100, kd=150, kp=500;
signed int SumE_Min, SumE_Max, SumE, integral_term, derivative_term, un;
signed long Cn;

#INT_TIMER0
void interrupt_timer0()
{
en0=0;
temp_int = 0;
temp_int = read_adc();

15


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

C
o
d
e

GVHD TS Nguy n V n Gi p

temp_int = temp_int - 512;
en0 = temp_int + off_set/8;

// Store to error function asuming no over-flow

do_PID = 1;

c
h
ƣ
ơ
n
g
t
r
ì
n
h

:

if(temp_int > 180)

//check if error is too large

{
en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0;
constants

// Clear all PID

Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0;
do_PID = 0;

// Stop doing PID

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// thieu phan start cho phan doc AD
ke tiep??
}
if(temp_int < -180)

//Check if error is too large (negative)

{
en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0;
constants

// Clear all PID

Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0;
do_PID = 0;

// Stop doing PID

}
}
if(temp_int < -180)
{
en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0;

16


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

17


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0;
do_PID = 0;

// Stop doing PID

}
}
void Init()
{
enable_interrupts(global);
enable_interrupts(INT_TIMER0);
setup_ccp1(ccp_pwm); //khoi tao bo PWM
setup_timer_2(t2_div_by_4,249,1);

//cai dat Timer 2 tao xung PWM

set_pwm1_duty(0);
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_128|RTCC_8_BIT);
set_timer0(99);
Setup_ADC (ADC_clock_internal) ;//enables the a/d module
Setup_ADC_ports (sAN0);

//can phai sua lai

Set_ADC_channel ( 0 ) ;
en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char =0;
temp_int = integral_term = derivative_term = un =0;
SumE_Max = 30000;
SumE_Min = 1 - SumE_Max;
do_PID = 1;

// Allowed to do PID function

}
void PID()

{

18


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

integral_term = derivative_term = 0;
SumE = SumE + en0;

// SumE is the summation of the error terms

if(SumE > SumE_Max)

// Test if the summation is too big

{
SumE = SumE_Max;
}
if(SumE < SumE_Min)

// Test if the summation is too small

{
SumE = SumE_Min;
}

// Integral term is (Ts/Ti)*SumE where Ti is Kp/Ki

// and Ts is the sampling period
// Actual equation used to calculate the integral term is
// Ki*SumE/(Kp*Fs*X) where X is an unknown scaling factor
// and Fs is the sampling frequency

integral_term = SumE / 256;

// Divide by the sampling frequency

integral_term = integral_term * ki;

// Multiply Ki

integral_term = integral_term / 16;

// combination of scaling factor and Kp

// chu y o so 16 = X*Kp nhung o thanh phan vi phan thi X*Kp*3*Ts = 32
// co the xem thanh phan tich phan khong quan trong bang thanh phan vi phan
// Calculate the derivative term
derivative_term = en0 – en3;
if(derivative_term > 120){
derivative_term = 120;

19


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

20


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

}
if(derivative_term < -120){

// test if too small

derivative_term = -120;
}

// Calculate derivative term using (Td/Ts)[E(n) - E(n-1)]

derivative_term = derivative_term * kd;

// Where X is an unknown scaling factor

derivative_term = derivative_term >> 5;

// divide by 32 precalculated Kp*X*3*Ts

//derivative_term = derivative_term / 32;
if(derivative_term > 120)
{
derivative_term = 120;

}
if(derivative_term < -120)
{
derivative_term = -120;
}
Cn = en0 + integral_term + derivative_term; // Sum the terms
Cn = Cn * kp / 1024 ;
if(Cn >= 1000)

// Used to limit duty cycle not to have punch through

{
Cn = 1000;
}
if(Cn <= -1000)
{
Cn = -1000;

21


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

}
if(Cn == 0)
{
set_pwm1_duty(0);
output_low(DIR);

output_low(BRK);
}
else if(Cn > 0)
{
set_pwm1_duty(Cn);
output_high(DIR);
output_low(BRK);
//cn = cn>>2;
off_set = off_set +1; // the offset is use to adjust the angle of the pendulum to
slightly
if(off_set > 55)

// larger than it actually is

{
off_set = 55;
}
}
else
{
temp_int = abs(Cn);

// Returns the absolute int value of Cn

set_pwm1_duty(temp_int);
output_low(DIR);

22

Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

off_set = off_set -1;
if(off_set > 55)

// larger than it actually is

{
off_set = 55;
}
}
en3 = en2;

// Shift error signals

en2 = en1;
en1 = en0;
en0 = 0;
do_PID = 0;

// Done

}
void main()
{
set_tris_a(0xff);
set_tris_c(0x00);
set_tris_b(0x00);

set_tris_d(0x00);
set_tris_e(0x00);
Init();
enable_interrupts(global);
enable_interrupts(INT_TIMER0);
delay_ms(100);
while(true){

23


Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

GVHD TS Nguy n V n Gi p

if(do_PID)
{
PID();
}
}
}

24