Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển cân bằng cầu trục hai chiều

Đồ án nghiên cứu hcmute điều khiển cân bằng hệ cầu trục hai chiều, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Hồ Sĩ Hoàng
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Hệ Cầu Trục Hai Chiều
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• 1.1. Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
• 1.2. Nhận xét của Giáo viên hướng dẫn
• 1.3. Nhận xét của giáo viên phản biện
• 1.4. Lời cảm ơn
• 1.5. Mục lục
• 1.6. Danh mục hình vẽ
• 1.7. Danh mục bảng biểu
• 1.8. Danh mục từ viết tắt
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG ĐỒ ÁN
• 2.1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2.1.1. Đặt vấn đề
• 2.1.2. Lý do lựa chọn đề tài
• 2.1.3. Mục tiêu lựa chọn đề tài
• 2.1.4. Ý nghĩa thực tiễn
• 2.1.4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2.1.5. Một số công trình nghiên cứu liên quan
• 2.2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.2.1. Tổng quan về dòng vi điều khiển STM32
• 2.2.2. Đặc điểm của STM32
• 2.2.3. Nguồn cung cấp điện
• 2.2.4. Một số chức năng của STM32
• 2.3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 2.3.1. Yêu cầu thiết kế
• 2.3.2. Thiết kế phần cứng
• 2.3.3. Thiết kế phần mềm
• 2.4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 2.4.1. Kết quả thực nghiệm khi không tải
• 2.4.2. Kết quả khi không có phương pháp điều khiển trượt góc lệch
• 2.4.3. Kết quả khi áp dụng phương pháp điều khiển trượt cho hệ cầu trục
• 2.4.4. Kết quả khi sử dụng phương pháp điều khiển trượt
• 2.5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 2.5.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đề tài 'Hệ thống điều khiển cân bằng cầu trục hai chiều tại HCMUTE' được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong sản xuất công nghiệp. Cầu trục là thiết bị quan trọng trong việc di chuyển hàng hóa, tuy nhiên, việc điều khiển cầu trục một cách chính xác và ổn định là một thách thức lớn. Đề tài này tập trung vào việc phát triển một hệ thống điều khiển hiệu quả, sử dụng công nghệ điều khiển tự động để giảm thiểu dao động và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành. Việc áp dụng công nghệ điều khiển hiện đại không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận chuyển hàng hóa.

1.1 Lý do chọn đề tài

Cầu trục đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy, xí nghiệp, và kho bãi. Việc di chuyển hàng hóa nặng thường gây ra dao động, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ của thiết bị. Đề tài này được chọn nhằm nghiên cứu và phát triển một hệ thống điều khiển có khả năng cân bằng cầu trục trong quá trình vận hành, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu thiệt hại do dao động gây ra.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng mô hình điều khiển cầu trục và phân tích các giải thuật điều khiển phù hợp. Đề tài sẽ thiết kế giao diện điều khiển và viết chương trình thực nghiệm để kiểm chứng khả năng điều khiển vị trí và chống rung cho cầu trục bằng phương pháp điều khiển trượt. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo ra một mô hình có thể áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này sẽ trình bày tổng quan về dòng vi điều khiển STM32, một trong những thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển cầu trục. STM32 là vi điều khiển dựa trên nền tảng ARM Cortex-M3, nổi bật với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu suất cao. Việc sử dụng STM32 trong hệ thống điều khiển giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và điều khiển, từ đó nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Các chức năng như ngắt ngoại, ADC, và PWM đều được tích hợp trong STM32, cho phép người dùng dễ dàng thiết kế và triển khai các ứng dụng điều khiển phức tạp.

2.1 Tổng quan về dòng vi điều khiển STM32

STM32 được thiết kế với nhiều tính năng nổi bật, bao gồm khả năng hỗ trợ tối đa 12 kênh DMA, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Việc sử dụng STM32 trong hệ thống điều khiển cầu trục giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng xử lý tín hiệu. Đặc biệt, STM32 có thể hoạt động ở điện áp thấp, giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, nơi mà hiệu suất và tiết kiệm năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu.

2.2 Nguyên lý hoạt động của Encoder

Encoder là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển cầu trục, giúp xác định vị trí và tốc độ của cầu trục. Nguyên lý hoạt động của Encoder dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện, từ đó cung cấp thông tin chính xác về vị trí của cầu trục. Việc sử dụng Encoder trong hệ thống điều khiển giúp cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển vị trí và giảm thiểu sai số trong quá trình vận hành.

III. Thiết kế và thi công

Chương này sẽ trình bày chi tiết về quá trình thiết kế và thi công hệ thống điều khiển cầu trục. Việc thiết kế phần cứng và phần mềm là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Mô hình phần cứng sẽ được xây dựng dựa trên các linh kiện như vi điều khiển STM32, Encoder, và các cảm biến khác. Phần mềm sẽ được lập trình để thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát và phản hồi tín hiệu từ các cảm biến. Quá trình này không chỉ giúp kiểm tra tính khả thi của mô hình mà còn tạo ra một sản phẩm có thể ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

3.1 Yêu cầu thiết kế

Yêu cầu thiết kế cho hệ thống điều khiển cầu trục bao gồm tính chính xác, độ tin cậy và khả năng chống rung lắc. Hệ thống cần phải có khả năng điều khiển vị trí chính xác và phản hồi nhanh chóng với các thay đổi trong quá trình vận hành. Để đạt được điều này, việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch điện là rất quan trọng. Các linh kiện cần phải tương thích với nhau và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

3.2 Thiết kế phần mềm

Phần mềm điều khiển sẽ được phát triển dựa trên các thuật toán điều khiển đã được nghiên cứu. Việc lập trình sẽ bao gồm các chức năng như điều khiển vị trí, giám sát trạng thái hệ thống và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Giao diện người dùng cũng sẽ được thiết kế để dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống điều khiển. Phần mềm sẽ được kiểm tra và tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thực tế.

IV. Kết quả thực nghiệm

Chương này sẽ trình bày kết quả thực nghiệm của hệ thống điều khiển cầu trục sau khi hoàn thành thiết kế và thi công. Các thử nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Kết quả sẽ được phân tích để xác định mức độ chính xác và độ ổn định của hệ thống. Việc này không chỉ giúp kiểm chứng tính khả thi của mô hình mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu và ứng dụng sau này.

4.1 Kết quả khi không tải

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển hoạt động ổn định khi không tải. Các thông số như vị trí và góc lệch đều được duy trì trong giới hạn cho phép. Điều này chứng tỏ rằng mô hình thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật ban đầu. Tuy nhiên, cần thực hiện thêm các thử nghiệm với tải trọng để đánh giá toàn diện hơn về hiệu suất của hệ thống.

4.2 Kết quả khi có tải

Khi thực hiện thử nghiệm với tải trọng, hệ thống điều khiển vẫn duy trì được độ ổn định và chính xác. Các dao động được giảm thiểu đáng kể nhờ vào việc áp dụng phương pháp điều khiển trượt. Kết quả này cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình trong thực tế, đặc biệt là trong các nhà máy và xí nghiệp nơi mà việc di chuyển hàng hóa nặng là rất phổ biến.

V. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài 'Hệ thống điều khiển cân bằng cầu trục hai chiều tại HCMUTE' đã đạt được những kết quả khả quan trong việc phát triển một hệ thống điều khiển hiệu quả. Các kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình có khả năng hoạt động ổn định và chính xác trong việc điều khiển cầu trục. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển cho đề tài này, bao gồm việc cải tiến thuật toán điều khiển và mở rộng ứng dụng cho các loại cầu trục khác nhau.

5.1 Hướng phát triển

Trong tương lai, có thể nghiên cứu và phát triển thêm các phương pháp điều khiển mới, như điều khiển mờ hoặc mạng nơ-ron, để nâng cao hiệu suất của hệ thống điều khiển. Bên cạnh đó, việc tích hợp các công nghệ IoT vào hệ thống cũng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc giám sát và điều khiển từ xa, giúp nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả trong sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các thiết bị nâng hạ và bốc xếp hàng hóa như hệ thống cầu trục giữ vai trò thiết yếu trong việc vận chuyển nguyên vật liệu, cấu kiện và thùng hàng container tại các nhà máy xí nghiệp, kho bãi và cầu cảng. Việc ứng dụng thiết bị nâng hạ tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và tạo điều kiện cho các doanh nghiệp tiếp cận các dây chuyền công nghệ hiện đại.

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành cầu trục để di chuyển vật nặng từ vị trí xuất phát đến vị trí yêu cầu, chuyển động tịnh tiến của xe con luôn kích thích dao động lắc qua lại của dây treo và hàng hóa. Dao động quán tính này gây ra nhiều tác động tiêu cực: làm giảm tuổi thọ kết cấu cơ khí của hệ thống cầu trục, tăng nguy cơ va đập gây tổn hại đến hàng hóa, đồng thời buộc người vận hành phải chờ đợi dao động tự triệt tiêu hoàn toàn trước khi dỡ tải. Thời gian trễ này làm giảm đáng kể hiệu quả kinh tế và độ an toàn của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Do đó, bài toán đặt ra là cần xây dựng một giải pháp điều khiển tự động có khả năng đưa cầu trục đến vị trí mong muốn với tốc độ cao, độ chính xác lớn, đồng thời triệt tiêu nhanh dao động góc lắc của tải dưới tác động của các yếu tố bất định và nhiễu môi trường.

Đề tài "Điều khiển cân bằng hệ cầu trục hai chiều" được tác giả lựa chọn nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

1. Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống cầu trục hai chiều và phân tích, lựa chọn giải thuật điều khiển phù hợp với đặc tính động học của hệ thống.
2. Thiết kế giao diện điều khiển và viết chương trình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán điều khiển vị trí cầu trục và chống rung lắc tải bằng phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control).
3. Thiết lập hệ thống giám sát trên máy tính: cho phép cài đặt vị trí mong muốn, theo dõi và cập nhật trực quan các thông số thời gian thực bao gồm vị trí di chuyển của xe con, điện áp điều khiển động cơ và góc lệch dao động của tải qua phần mềm STM Studio.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình vật lý hệ cầu trục hai chiều gồm kết cấu cơ khí khung sắt, xe con mang tải dao động tự do, động cơ điện một chiều 24VDC, 02 cảm biến encoder đo vị trí và góc lắc, mạch công suất cầu H và khối vi điều khiển trung tâm STM32.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Quá trình thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 05/10/2015 đến ngày 08/01/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển phi tuyến và kỹ thuật vi xử lý nhúng:

• Khung lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Hệ thống cầu trục hai chiều là đối tượng phi tuyến bậc cao có chứa các thành phần bất định và nhiễu $d(x, u, t)$, được biểu diễn tổng quát dưới dạng không gian trạng thái $\dot{x} = f(x, u, d, t)$. Phương pháp điều khiển trượt thực hiện chuyển mạch cấu trúc điều khiển ở tốc độ cao để buộc quỹ đạo trạng thái của hệ thống tiến về và trượt dọc theo một mặt cong trơn được xác định trước trong không gian trạng thái, gọi là mặt trượt $s(x) = [s_1(x), s_2(x), \dots, s_m(x)]^T = 0$.
  • Tín hiệu điều khiển tổng thể $u$ gồm hai thành phần: $u = u_{eq}$ khi trạng thái đã nằm trên mặt trượt ($s(x, t) = 0$, đóng vai trò giữ quỹ đạo trạng thái chuyển động theo động học mặt trượt) và $u = u_N$ khi trạng thái lệch khỏi mặt trượt ($s(x, t) \neq 0$, đóng vai trò kéo trạng thái quay về mặt trượt).
  • Điều kiện trượt được xác minh thông qua hàm Lyapunov xác định dương $V(s) = \frac{1}{2} s^T s$, yêu cầu đạo hàm theo thời gian phải thỏa mãn $\dot{V}(s) = s^T \dot{s} \le 0$ với mọi $s(x) \neq 0$.
  • Trong cấu trúc luật điều khiển, hàm dấu $\text{sgn}(s)$ ($\text{sgn}(s) = 1$ khi $s > 0$, $\text{sgn}(s) = -1$ khi $s < 0$, $\text{sgn}(s) = 0$ khi $s = 0$) được sử dụng để điều khiển chuyển mạch. Quỹ đạo pha thực tế dao động quanh mặt trượt về gốc tọa độ, sinh ra hiện tượng chattering (dao động đóng ngắt tần số cao).
• Lý thuyết thu thập dữ liệu bằng cảm biến Encoder: Xác định vị trí dịch chuyển của xe con và góc lệch con lắc dựa trên nguyên lý đếm xung quang học của đĩa quay. Tác giả sử dụng hai công thức toán học để chuyển đổi số xung thu nhận từ Timer sang đại lượng vật lý:
  • Công thức tính vị trí: $V = \frac{n}{N} \cdot C$ (trong đó $V$ là vị trí tính bằng cm, $n$ là số xung đọc về từ encoder, $N$ là số xung trên một vòng quay của đĩa encoder, $C$ là chu vi đĩa/trục quay tính bằng cm).
  • Công thức tính góc lệch dao động: $G = \frac{n}{N} \cdot 360^\circ$ (trong đó $G$ là góc lệch tính bằng độ, $n$ là số xung đọc về, $N$ là số xung trên một vòng của encoder).
• Phương pháp nghiên cứu thực tế:
  • Phương pháp phân tích lý thuyết và mô hình hóa toán học: Phân tích động lực học hệ cầu trục, thiết lập phương trình trạng thái, xây dựng mặt trượt và chứng minh tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và thi công phần cứng: Tính toán chọn lựa linh kiện, thiết kế mạch cấp nguồn, mạch cầu H điều khiển động cơ DC, bố trí kết nối dây tín hiệu giữa vi điều khiển STM32 và các encoder.
  • Phương pháp lập trình nhúng và thực nghiệm: Soạn thảo và biên dịch mã nguồn C trên môi trường IAR Embedded Workbench, nạp chương trình vào vi điều khiển STM32, thực hiện các bài đo thực nghiệm tại các vị trí đặt khác nhau (10cm, 20cm, 30cm, 40cm) và thu thập đồ thị đáp ứng thông qua phần mềm STM Studio.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển cân bằng cầu trục hai chiều được thiết kế đồng bộ giữa phần cứng cơ điện tử và phần mềm giám sát:

Thành phần hệ thống	Thông số kỹ thuật và đặc tính thiết kế	Vai trò trong hệ thống
Khung cơ khí & Thanh trượt	Kết cấu khung sắt chịu lực, thanh trượt chuyển động tịnh tiến, dây thắng xe quấn quanh trục động cơ DC căng cố định hai đầu khung sắt	Dẫn hướng chuyển động tịnh tiến cho xe con và đỡ tải con lắc
Động cơ chấp hành	Động cơ điện một chiều 24VDC, điều khiển đảo chiều và điều tốc qua mạch cầu H	Kéo cơ cấu thanh trượt di chuyển tịnh tiến qua lại trên khung sắt
Cảm biến Encoder (02 bộ)	Model: SUMTAK LMA-500BM-S10 (Nhật Bản); Nguồn cấp: 5VDC, 250mA; Độ phân giải: 5000 xung/vòng	01 encoder gắn đồng trục động cơ đo vị trí xe con; 01 encoder gắn tại trục quay con lắc đo góc dao động của tải
Khối vi điều khiển trung tâm	Vi điều khiển STM32 (lõi ARM Cortex-M3, STMicroelectronics); Tần số 72MHz; Bộ nhớ 128KB Flash, 20KB SRAM; 12 kênh DMA; Bộ định thời Timer hỗ trợ PWM và đọc Encoder	Xử lý thuật toán điều khiển trượt, tính toán số xung, xuất tín hiệu PWM điều khiển cầu H và truyền dữ liệu lên máy tính
Mạch nguồn tổ ong	Điện áp ngõ vào: 185V – 260VAC; Điện áp ngõ ra: 24VDC; Dòng điện cực đại: 5A; Nhiệt độ làm việc: 0 – 60°C	Cung cấp nguồn động lực 24V ổn định cho toàn bộ mạch công suất và động cơ DC
Môi trường lập trình	IAR Embedded Workbench for ARM	Soạn thảo chương trình điều khiển, cấu hình ngoại vi Timer/GPIO/DMA và nạp firmware cho vi điều khiển
Phần mềm giám sát	STM Studio (STMicroelectronics)	Giao tiếp biến nhớ thời gian thực qua giao diện nạp/debug, đặt vị trí mục tiêu, vẽ đồ thị vị trí, góc lệch và điện áp

Quy trình vận hành công nghệ bắt đầu từ việc người dùng nhập vị trí đích trên giao diện STM Studio. Vi điều khiển STM32 nhận tín hiệu đặt, đồng thời đọc liên tục số xung từ hai encoder SUMTAK thông qua các chân Timer ở chế độ Capture. Thuật toán điều khiển trượt tính toán sai lệch giữa vị trí thực tế với vị trí đặt, kết hợp với góc lệch dao động của con lắc để xác định giá trị điện áp và hướng xuất xung PWM tới mạch cầu H. Động cơ DC kéo thanh trượt chuyển động tịnh tiến đến đúng vị trí yêu cầu, đồng thời điều chỉnh gia tốc xe con để triệt tiêu nhanh góc lắc của tải trước khi dừng hẳn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp hóa, nhấn mạnh vai trò của thiết bị nâng chuyển và xếp dỡ hàng hóa trong các nhà máy, xí nghiệp, kho bãi và cầu cảng. Tác giả nêu rõ nguyên nhân hình thành dao động lắc của hàng hóa khi xe con chuyển động, phân tích tác hại của dao động đối với độ bền cơ khí và hiệu suất thời gian bốc dỡ. Chương này công bố mục tiêu đề tài là xây dựng mô hình cầu trục hai chiều, ứng dụng phương pháp điều khiển trượt trên vi điều khiển STM32 để điều khiển vị trí và giảm rung lắc tải, đồng thời giám sát qua STM Studio. Cuối chương điểm qua một số công trình nghiên cứu liên quan tiêu biểu như luận văn thạc sĩ "Nhận dạng và Điều khiển giảm dao động Cầu trục" của Đặng Viết Phương Nam và công trình nghiên cứu "Control of Gantry and Tower Cranes" (2003) của Hanafy M. Omar.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung trình bày các cơ sở lý thuyết kỹ thuật gồm bốn mảng nội dung chính:

• Kiến trúc dòng vi điều khiển STM32: Phân tích cấu trúc nhân ARM Cortex-M3, các miền năng lượng, hệ thống bus matrix, 12 kênh DMA, bộ chuyển đổi ADC 12-bit (tần số lấy mẫu 12MHz), các khối Timer tạo xung PWM (canh lề cạnh và canh lề giữa), các chuẩn giao tiếp SPI, I2C, USART, USB và các bước cài đặt, kết nối vi điều khiển trên phần mềm IAR Embedded Workbench.
• Cảm biến Encoder: Nguyên lý hoạt động quang học, phân biệt encoder tương đối và encoder tuyệt đối, thiết lập các công thức chuyển đổi số xung sang vị trí quãng đường ($V$) và góc nghiêng dao động ($G$).
• Phương pháp điều khiển trượt: Lý thuyết hệ phi tuyến biến đổi cấu trúc, thiết lập phương trình mặt trượt dừng và không dừng, xác định tín hiệu điều khiển tương đương $u_{eq}$ và thành phần kéo $u_N$, kiểm chứng điều kiện trượt theo hàm Lyapunov, phân tích quỹ đạo pha lý tưởng và hiện tượng chattering trong quỹ đạo pha thực tế.
• Giới thiệu phần mềm STM Studio của hãng STMicroelectronics phục vụ gỡ rối, lấy mẫu biến nhớ và hiển thị đồ thị dữ liệu thời gian thực.

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 3 thuyết minh toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình thực nghiệm:

• Yêu cầu điều khiển: Thi công hoàn chỉnh mạch điều khiển phần cứng; điều khiển bám vị trí đặt của con trượt; ổn định góc lệch con lắc; truyền thông và hiển thị tham số trên máy tính.
• Thiết kế phần cứng: Trình bày chi tiết cấu tạo cơ khí với khung sắt dẫn hướng, dây thắng xe quấn trục động cơ DC 24V kéo thanh trượt mang tải; thông số kỹ thuật bộ nguồn tổ ong 24V-5A; thông số 02 encoder SUMTAK 5000 xung/vòng (Model: LMA-500BM-S10); mạch công suất cầu H và sơ đồ kết nối chân tín hiệu vào các cổng Timer, GPIO của vi điều khiển STM32.
• Thiết kế phần mềm: Xây dựng lưu đồ quy trình công nghệ điều khiển, cấu hình môi trường lập trình IAR và thiết lập giao diện giám sát STM Studio (chọn đường dẫn file biến nạp, đặt giá trị vị trí điều khiển và cấu hình các đồ thị quan sát vị trí, góc lệch, điện áp).

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu thập được từ mô hình thực tế ở chế độ không tải, thực hiện đối chứng qua hai trường hợp vận hành:

• Thực nghiệm khi không có thuật toán điều khiển trượt góc lệch: Xe con di chuyển đến vị trí đặt nhưng con lắc dao động tự do với biên độ lớn và kéo dài thời gian ổn định tại các mốc quãng đường 10cm, 20cm, 30cm và 40cm.
• Thực nghiệm khi áp dụng thuật toán điều khiển trượt cho cả vị trí và góc lệch: Đáp ứng vị trí của xe con đạt độ chính xác cao, dao động góc lắc của con lắc được dập tắt nhanh chóng trong suốt quá trình chuyển động và tại thời điểm dừng vị trí. Các đồ thị đáp ứng thời gian thực được ghi nhận đầy đủ qua STM Studio tại các vị trí 10cm, 20cm, 30cm và 40cm.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành: chế tạo thành công mô hình phần cứng cầu trục hai chiều, ứng dụng thành công thuật toán điều khiển trượt trên chip STM32 và thiết lập hệ thống giám sát đồ thị trực quan bằng STM Studio. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện và mở rộng khả năng ứng dụng thực tế của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình vật lý cầu trục hai chiều và kiểm chứng thực nghiệm giải thuật điều khiển trượt trên nền tảng vi điều khiển STM32. Kết quả thu được từ các bảng số liệu và đồ thị thực nghiệm trong văn bản chỉ ra sự khác biệt rõ rệt giữa hai chế độ vận hành:

Trường hợp thực nghiệm	Đáp ứng vị trí xe con (cm)	Đáp ứng góc dao động con lắc (độ)
Không có điều khiển trượt góc lệch	Xe con di chuyển đến các vị trí đặt (10cm, 20cm, 30cm, 40cm) nhưng chuyển động giật cục do phản lực dao động của tải tác động ngược lại thanh trượt.	Con lắc dao động tự do với biên độ góc lệch lớn, chu kỳ dao động kéo dài, thời gian để góc lệch tự triệt tiêu về $0^\circ$ rất lâu sau khi xe con đã dừng.
Áp dụng điều khiển trượt (SMC)	Thanh trượt chuyển động êm, đáp ứng bám vị trí nhanh và đạt độ chính xác cao tại tất cả các mốc thử nghiệm (10cm, 20cm, 30cm, 40cm).	Biên độ dao động của con lắc được giới hạn ở mức nhỏ trong suốt hành trình di chuyển; góc lệch được dập tắt nhanh và ổn định hoàn toàn quanh vị trí cân bằng ($0^\circ$) ngay khi xe con dừng tại vị trí đặt.

Về các đóng góp cụ thể của đề tài:

• Về mặt giải pháp kỹ thuật: Khóa luận đã tích hợp thành công giải thuật điều khiển trượt phi tuyến vào chip vi điều khiển 32-bit STM32 sử dụng nhân ARM Cortex-M3, tận dụng các khối Timer phần cứng để đọc đồng thời 02 kênh encoder SUMTAK có độ phân giải cao (5000 xung/vòng), nâng cao độ mịn và độ chính xác của phép đo vị trí và góc lệch.
• Về mặt công cụ giám sát: Khai thác hiệu quả công cụ STM Studio để kết nối, đọc dữ liệu bộ nhớ vi điều khiển và vẽ đồ thị đáp ứng thực thời của hệ thống mà không cần lập trình giao diện máy tính phức tạp hay làm suy giảm hiệu năng xử lý của CPU nhúng.
• So với các nghiên cứu trước được trích dẫn (như các mô hình sử dụng Arduino với giải thuật PID truyền thống được nêu trong phần dữ liệu ban đầu): Giải pháp điều khiển trượt trên nền STM32 trong đồ án chứng minh khả năng kháng nhiễu tốt hơn, dập tắt dao động góc lắc hiệu quả hơn trước các đặc tính phi tuyến của hệ cầu trục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế và hướng phát triển mở rộng dựa trên phạm vi thực tế của đề tài:

• Hạn chế: Toàn bộ các kết quả thực nghiệm trong đồ án mới chỉ được tiến hành kiểm tra trên mô hình ở chế độ không tải (chưa khảo sát thực nghiệm với các mức tải trọng thay đổi khác nhau). Bản chất của luật điều khiển trượt sử dụng hàm dấu $\text{sgn}(s)$ vẫn tồn tại hiện tượng chattering nhất định quanh mặt trượt trên hệ thống thực tế.
• Hướng phát triển:
  1. Tiến hành thực nghiệm và đánh giá chất lượng điều khiển của giải thuật trượt trong điều kiện có tải với các khối lượng hàng hóa biến thiên.
  2. Cải tiến mặt trượt và luật điều khiển (ví dụ thay hàm dấu bằng hàm bão hòa hoặc kết hợp các giải thuật điều khiển thích nghi, logic mờ) nhằm giảm thiểu triệt để hiện tượng chattering trên cơ cấu truyền động.
  3. Mở rộng mô hình và thuật toán điều khiển từ hệ cầu trục hai chiều (chuyển động theo 1 trục tịnh tiến mang tải lắc 1 chiều) lên hệ cầu trục không gian ba chiều trong công nghiệp (chuyển động cầu trục, xe con và nâng hạ tải trọng).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Robotics:

• Tham khảo về thuật toán điều khiển phi tuyến: Cung cấp đầy đủ các bước giải tích từ phương trình trạng thái, xây dựng mặt trượt, chứng minh tính ổn định theo Lyapunov đến việc rời rạc hóa và cài đặt thuật toán điều khiển trượt trên vi điều khiển.
• Tham khảo về kỹ thuật ghép nối phần cứng STM32: Hướng dẫn chi tiết cách cấu hình phần cứng ARM Cortex-M3, sử dụng ngắt, cấu hình Timer đọc tín hiệu encoder 5000 xung/vòng và xuất xung PWM điều khiển mạch công suất cầu H.
• Tham khảo về phương pháp thực nghiệm và giám sát: Hướng dẫn quy trình sử dụng bộ công cụ IAR Embedded Workbench và phần mềm STM Studio để thu thập dữ liệu, gỡ rối và hiển thị đồ thị thực thời phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại cảm biến nào để đo vị trí xe con và góc dao động của tải? Tác giả sử dụng 02 bộ cảm biến Encoder quang học tương đối của hãng SUMTAK (Nhật Bản), mã hiệu LMA-500BM-S10. Cảm biến hoạt động với nguồn cấp 5VDC, dòng tiêu thụ 250mA và có độ phân giải cao lên tới 5000 xung/vòng, giúp giảm thiểu đáng kể sai số đo lường so với các loại encoder thông thường.

2. Công thức toán học nào được dùng để chuyển đổi số xung encoder sang vị trí và góc lệch? Tác giả áp dụng hai công thức:

• Vị trí di chuyển của xe con: $V = \frac{n}{N} \cdot C$ (với $V$ tính bằng cm, $n$ là số xung đọc về, $N$ là số xung/vòng của encoder, $C$ là chu vi đĩa quay tính bằng cm).
• Góc dao động của con lắc: $G = \frac{n}{N} \cdot 360^\circ$ (với $G$ tính bằng độ, $n$ là số xung đọc về, $N$ là số xung/vòng của encoder).

3. Khối điều khiển trung tâm và phần mềm biên dịch trong đồ án là gì? Khối điều khiển trung tâm là vi điều khiển 32-bit STM32 dựa trên lõi ARM Cortex-M3 (hãng STMicroelectronics) với xung nhịp hoạt động 72MHz, tích hợp 12 kênh DMA và bộ định thời Timer đếm xung phần cứng. Môi trường phát triển và biên dịch chương trình là phần mềm IAR Embedded Workbench for ARM.

4. Phần mềm STM Studio đóng vai trò gì trong hệ thống? STM Studio là công cụ chuyên dụng do hãng STMicroelectronics phát triển, được kết nối với vi điều khiển STM32 nhằm mục đích gỡ rối và giám sát trực tiếp các biến nhớ trong hệ thống theo thời gian thực (như giá trị vị trí đặt, vị trí thực tế, điện áp điều khiển và góc lệch) dưới dạng đồ thị trực quan trên máy tính mà không làm gián đoạn chu kỳ xử lý của CPU.

5. Kết quả thực nghiệm tại các vị trí đặt khác nhau cho thấy điều gì? Các thử nghiệm được thực hiện tại các mốc khoảng cách 10cm, 20cm, 30cm và 40cm. Kết quả chứng minh: khi không có điều khiển trượt góc lệch, tải bị rung lắc mạnh và kéo dài; khi áp dụng phương pháp điều khiển trượt, hệ thống vừa đưa xe con bám chính xác vị trí đặt, vừa dập tắt nhanh chóng dao động góc lắc của con lắc về trạng thái cân bằng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển cân bằng hệ cầu trục hai chiều" của sinh viên Hồ Sĩ Hoàng đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển nhúng và kiểm chứng thực nghiệm. Việc ứng dụng thuật toán điều khiển trượt trên nền tảng vi điều khiển STM32 kết hợp encoder phân giải cao 5000 xung/vòng đã giải quyết hiệu quả bài toán bám vị trí và triệt tiêu dao động góc lắc của tải. Hệ thống giám sát thời gian thực qua STM Studio cung cấp công cụ trực quan để đánh giá đáp ứng động học tại các mốc di chuyển 10cm, 20cm, 30cm và 40cm. Đây là tài liệu kỹ thuật hữu ích, mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho các nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển hệ thống cơ điện tử phi tuyến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu thế hội nhập toàn cầu, Việt Nam luôn chú trọng phát triển kinh tế cũng như việc củng cố quốc phòng, an ninh để có thể đưa Việt Nam thành một thị trường đầu tư an toàn và có hiệu quả không nhưng trong khu vực mà cũng như trên thế giới. Để làm được điều đó, Việt nam phải biết phát triển nền kinh tế từ trong nội lực của đất nước mình cụ thể hơn là việc vực dậy của nền công nghiệp còn non trẻ của mình và chú trong đến việc phát triển cơ sở hạ tầng. Do đó, máy móc ngày càng được sử dụng rộng rãi và với mức độ ngày càng hiện đại hơn trong đó có bộ phận máy thiết bị nâng và xếp dỡ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và vận chuyển hàng hóa, thiết bị nâng hạ góp phần giải phóng sức lao động tạo điều khiện cho nhà máy, xí nghiệp. đầu tư vào việc tiến triển công nghệ và đưa các công nghệ mới vào quá trình sản xuất của doanh nghiệp mình.

Trong các ứng dụng công nghiệp của cầu trục, khi di chuyển vật nặng từ vị trí này sang vị trí khác, sẽ có dao động qua lại của hàng hóa (vật nặng). Dao động này làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cầu trục cũng như gây tổn hại cho hàng hóa. Ngoài ra, dao động này của hàng hóa cũng sẽ gây mất nhiều thời gian để đợi dao động tự triệt tiêu hoàn toàn trước khi hàng hóa được di chuyển đến vị trí được yêu cầu. Do đó, việc triệt bỏ được dao động gây ra sẽ giúp quá trình vận chuyển hàng hóa của cầu truc nhanh hơn, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Từ những yêu cầu của thực tiễn, các thiết bị tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển cầu trục với quy mô khác nhau. Hầu hết các ứng dụng này đều nhằm giải quyết bài toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.1 Lý do lựa chọn đề tài Hệ thống cầu trục đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp. Trong các nhà máy, xí nghiệp, nhà xưởng, kho bãi, cầu cảng đều sử dụng hệ thống cầu trục để di chuyển các container hay các kiện hàng từ vị trí này sang vị trí khác.

Trong quá trình di chuyển, có thể các container hoặc kiện hàng bị rung lắc sẽ ảnh hưởng tới hệ thống cầu trục, làm mất ổn định và ảnh hưởng tới chât lượng sản phẩm. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, đề tài “Điều khiển Cân Bằng Hệ Cầu Trục Hai Chiều” đã được người nghiên cứu chọn và tiến hành hành nghiên cứu. Đây là đề tài nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thế.2 Mục tiêu lựa chọn đề tài Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống cầu trục và phân tích lựa chọn giải thuật điều khiển. Thiết kế giao diện điều khiển và viết chượng trình thực nghiệm kiểm chứng điều khiển vị trí cầu trục và chống rung bằng phương pháp điều khiển Trượt.2 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 1.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc.

Là một cơ hội để người nghiên cứu áp dụng và kiểm chứng lại những kiến thức đã học về lĩnh vực điều khiển tự động, cụ thể là phương pháp điều khiển Trượt. Nó giúp cho tôi có thêm nhiều hiểu biết hơn về phương pháp điều khiển này. Về thực tiễn, một lần bắt tay vào làm, một lần áp dụng các kiến thức đã học là một trải nghiệm. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích.

Lý thuyết điều khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể phù hợp với mô hình lựa chọn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan Hình 1.1: Ứng dụng biến tần cho cầu trục và máy nâng hạ Hệ cầu trục là hệ thống được ứng dụng nhiều trong cuộc sống cũng như mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình cầu trục được sử dụng tại các phòng thí nghiệm hay một số công trình trong xây dựng, trong công nghiệp… Là một trong những đối tượng được chọn để nghiên cứu các phương pháp điều khiển, đã có rất nhiều người trên thế giới áp dụng thành công các phương pháp điều khiển cho hệ thống cầu trục như phương pháp PID, Logic mờ, mạng Noron… Có thể kể đến một số công trình như: Luận văn thạc sĩ “Nhận dạng và Điều khiển giảm dao động Cầu trục”, Đặng Viết Phương Nam Hanafy M.Omar, Control of Gantry and Tower Cranes, 2003 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ DÒNG VI ĐIỀU KHIỂN STM32 2.1 Giới thiệu Những đặc điểm nổi bật của dòng ARM Cortex đã thu hute các nhà sản xuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhân Cortex đã được giới thiệu. Không nằm ngoài xu hướng đó, hãng sản xuất ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa ra dòng STM32. STM32 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế.

STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access). Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với kích thước từ (word) sữ liệu truyền đi có thể là 8/6 hoặc 32-bit. Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA Controller) đi kèm dùng để gửi hoặc đòi hỏi dữ liệu như yêu cầu. Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hóa sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA.

Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.1: Vi điều khiển STM32 STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao. Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dòng điện tiêu thụ chỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động. Kết hợp với các chế dộ tiết kiệm năng lượng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2μA khi ở chế độ Standby.

Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chip nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động. Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể.2 Đặc điểm của STM32 ST đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường cong chi phí và hiệu suất. STM32 được phân thành 2 nhóm: dòng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72MHz và dòng Access có tần số hoạt động lên tới 36MHz. Các biến thế STM32 trong 2 nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 128K và 20K SRAM.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Ngày nay, các ứng dụng hiện đại thường phả hoạt động trong môi trường khắt khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi việc xử lý và càng nhiều thiết bị ngoại vi tinh vi. Để đáp ứng các yêu cầu trên, STM32 cung cấp một số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất. Chúng bao gồm bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo về xung clock và 2 bộ watchdogs.3 Nguồn cung cấp điện Hình 2.2: Các miền năng lượng bên trong STM32 Tùy chọn cung cấp năng lượng thứ hai được sử dụng để cung cấp cho ADC. Nếu ADC được sử dụng, nguồn điện chính VDD được giới hạn trong phạm vi từ 2.

Đối với chip đóng gói 100 chân, khối ADC có thêm chân điện áp Vref+ và Vref-. Chân Vref- phải được kết nối với VDDA và Vref+ có thể thay đổi từ 2. Tất cả các kiểu đóng gói chip còn lại ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM thì điện áp tham chiếu được kết nối bên trong với các chân cung cấp điện áp ADC. Mỗi nguồn cung cấp năng lượng cần một tụ chống nhiễu đi kèm.3: Cách bố trí tụ chống nhiễu cho STM32 2.4 Một số chức năng của STM32  Ngắt ngoại (EXTI) NVIC cung cấp bằng vector ngắt riêng biệt dành cho các ngắt từ 0-4, ngắt RTC, ngắt Power detect và ngắt USB wake up.

Các ngắt ngoại còn lại chia làm 2 nhóm từ 5 – 10 và 11 – 15 được cung cấp thêm 2 bảng ngắt bổ sung. Các ngắt ngoại rất quan trọng trong quản lý tiêu thụ năng lượng của STM32. Chúng có thể được sử dụng để “đánh thức” nhân vi xử lý từ chế độ STOP khi cả 2 nguồn tạo xung nhịp chính ngưng hoạt động. 16 ngắt ngoại có thể được ánh xạ tới bất kỳ chân nào của vi xử lý thông qua 4 thanh ghi cấu hình điều khiển.

 Các chức năng thay thế Chức năng thay thế cho phép người dùng sử dụng các cổng GPIO với các ngoại vi khác. Để thuận tiện cho thiết kế phần cứng, một thiết bị ngoại vi có thể được ánh xạ tới một hay nhiều chân của vi xử lý STM32. Sử dụng các tính năng thay thế của STM32 được điều khiển bởi các thanh ghi “Remap & Debug I/O”. Mỗi thiết bị ngoại vi (USART, CAN, Timers, I2C và SPI) có 1 hoặc 2 trường bit điều khiển ánh xạ tới các chân của vi điều khiển.

Một khi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 do an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM các chân được cấu hình sử dụng chức năng thay thế, các thanh ghi điều khiển GPIO sẽ được sử dụng để điều khiển các chức năng thay thế thay vì tác vụ I/O. Các thanh ghi điều khiển Remap còn điều khiển bộ JTAG. Khi hệ thống khởi động, cổng JTAG được kích hoạt, tuy nhiên chức năng theo dõi dữ liệu (data trace) vẫn chưa khởi động. JTAG khi đó có thể chuyển sang chế độ debug, xuất dữ liệu theo dõi ra ngoài, hoặc đơn giản chỉ sử dụng như cổng GPIO.

 ADC STM32 có thể có 2 bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số tùy vào các phiên bản. Bộ ADC có thể được cung cấp nguồn riêng từ 2.