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.