Tài liệu điều khiển thiết bị nâng từ trường dùng phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------- VÕ HỮU HẬU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG TỪ TRƯỜNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA Chuyên ngành: Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: .................................................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: VÕ HỮU HẬU Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1983 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Tự Động Hóa MSHV: 01506350 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG TỪ TRƯỜNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Thi công mô hình thiết bị nâng từ trường. Tìm hiểu phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa. Tìm hiểu điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign. Áp dụng điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa kết hợp điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign vào thiết bị nâng từ trường. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong lĩnh vực Tự Động Hóa. Đặc biệt cảm ơn cán bộ hướng dẫn – PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa, đã dành nhiều thời gian quý báu hướng dẫn suốt quá trình thực hiện Luận văn. Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn Lớp Cao học Tự Động Hóa khóa 2006, đặc biệt là Kỹ sư Hà Lê Huy đã trao đổi kiến thức, cho nhiều ý kiến hay. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ và người thân yêu đã tạo điều kiện tốt nhất khi thực hiện luận văn. Học viên thực hiện Luận văn Võ Hữu Hậu ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Thiết bị nâng từ trường có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như tàu cao tốc, vòng bi từ, công nghệ bán dẫn. Do không có ma sát và sạch, nên chúng thích hợp trong các ứng dụng tốc độ cao và phòng sạch. Ngoài ra, tính phi tuyến cao của hệ thống đặt ra nhiều thử thách điều khiển nên có nhiều nghiên cứu về chúng. Trong luận văn này, một mô hình thiết bị nâng từ trường được chế tạo và hiện thực thuật toán điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa trên mô hình này. Một mô hình toán được chọn. Các mô phỏng được áp dụng vào cho mô hình toán và các thí nghiệm được áp dụng trên phần cứng. Các kết quả mô phỏng cho thấy hồi tiếp tuyến hóa khử bỏ tốt tính phi tuyến nhưng rất nhạy với tính bất định thông số mô hình. Điều khiển cuốn chiếu và Lyapunov Redesign được kết hợp với hồi tiếp tuyến tính hóa giúp ổn định hóa hệ thống khi có mặt tính bất định. iii ABSTRACT Magnetic Levitation (MagLev) has many applications in industry such as high-speed trains, magnetic bearings, semiconductor technology. Because no frictions and cleanness, they are ideal in high-speed applications and clean- room applications. Besides, high nonlinearities of system set up many challenges in control enginneering, therefore there are many subjects research on them. In this thesis, a hardware model of MagLev is manufactured and Feedback Linearization is applied on this model. A mathematical model is selected. Simulations are implemented on the mathematical model and experiments are applied on the hardware. Simulation results show that Feedback Linearization cancels system’s nonlinearities well but it is very sensitive with uncertainty of system’s parameters. Backstepping and Lyapunov Redesign are combined with Feedback Linearization for stabilization as presence of uncertainty. iv MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. ii ABSTRACT ............................................................................................................... iii MỤC LỤC.................................................................................................................. iv DANH SÁCH HÌNH................................................................................................. vii DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................ xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN....................................................................................... 1 1.1 Thiết bị nâng từ trường .............................................................................. 1 1.1.1 Giới thiệu và ứng dụng ................................................................ 1 1.1.2 Thử thách điều khiển.................................................................... 2 1.1.3 Các phương pháp điều khiển ....................................................... 2 1.2 Tổ chức luận văn........................................................................................ 3 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ......................................... 4 2.1 Mô tả hệ thống ........................................................................................... 4 2.1.1 Nguyên lý hoạt động .................................................................... 5 2.1.2 Photodiode đo vị trí đối tượng..................................................... 6 2.1.3 Mạch điện tử điều khiển............................................................... 6 2.1.4 Nam châm điện ............................................................................ 6 2.2 Mô hình hóa hệ thống ................................................................................ 7 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA............................ 11 3.1 Điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa........................................................... 11 3.1.1 Giới thiệu ................................................................................... 11 v Trang 3.1.2 Tuyến tính hóa vào ra ................................................................ 12 3.1.3 Tuyến tính hóa toàn trạng thái .................................................. 13 3.1.4 Ưu điểm và hạn chế của hồi tiếp tuyến tính hóa ....................... 15 3.2 Phương pháp Lyapunov Redesign ........................................................... 15 3.3 Phương pháp điều khiển cuốn chiếu ........................................................ 18 3.3.1 Điều khiển cuốn chiếu qua khâu tích phân................................ 18 3.3.2 Điều khiển cuốn chiếu trong trường hợp tổng quát .................. 20 3.4 Tính toán luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa .................................... 20 3.4.1 Chứng minh hệ thống có thể hồi tiếp tuyến tính hóa ................. 21 3.4.2 Xác định bậc tương đối của hệ thống ........................................ 23 3.4.3 Luật điều khiển........................................................................... 23 3.5 Tính toán luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa kết hợp điều khiển cuốn chiếu .............................................................................. 24 3.5.1 Hồi tiếp tuyến tính hóa cho hệ con ............................................ 25 3.5.2 Áp dụng điều khiển cuốn chiếu qua khâu tích phân .................. 26 3.6 Tính toán luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa kết hợp điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign .................. 27 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.............................................................. 29 4.1 Hồi tiếp tuyến tính hóa............................................................................. 29 4.2 Hồi tiếp tuyến tính hóa kết hợp điều khiển cuốn chiếu ........................... 37 4.3 Hồi tiếp tuyến tính hóa kết hợp điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign ............................................................ 45 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................ 55 5.1 Kết luận .................................................................................................... 55 5.2 Hướng phát triển đề tài ............................................................................ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 56 PHỤ LỤC A SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TỬ.................................................................. 60 PHỤ LỤC B XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ MÔ HÌNH ................................................. 66 vi Trang PHỤ LỤC C CÁC CHƯƠNG TRÌNH .................................................................... 74 PHỤ LỤC D HÌNH ẢNH PHẦN CỨNG................................................................ 90 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG....................................................................................... 95 vii DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 1.1 Tàu cao tốc .................................................................................................. 1 Hình 1.2 Vòng bi từ.................................................................................................... 1 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................... 4 Hình 2.2 Photodiode BS520 ....................................................................................... 6 Hình 2.3 Mô hình cuộn dây nam châm điện .............................................................. 6 Hình 2.4 Mô hình cơ điện hệ thống............................................................................ 7 Hình 3.1 Hệ thống dạng điều khiển cuốn chiếu qua khâu tích phân........................ 18 Hình 4.1.1 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −50 ..... 29 Hình 4.1.2 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −50 ................................................................................................................................... 29 Hình 4.1.3 Quan hệ vào – ra hệ thống sau khi hồi tiếp tuyến tính hóa .................... 30 Hình 4.1.4 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −10 ..... 30 Hình 4.1.5 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −10 ................................................................................................................................... 31 Hình 4.1.6 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −2 ....... 32 Hình 4.1.7 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p 2 = p3 = −2 ................................................................................................................................... 32 Hình 4.1.8 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p2 = p3 = −100 .... 33 Hình 4.1.9 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm và các cực p1 = p2 = p3 = −100 ................................................................................................................................... 33 Hình 4.1.10 Các ngõ ra với tín hiệu đặt là sóng sin và các cực p1 = p2 = p3 = −50 ................................................................................................................................... 34 Hình 4.1.11 Các ngõ vào với tín hiệu đặt là sóng sin và các cực p1 = p2 = p3 = −50 ................................................................................................................................... 35 viii Trang Hình 4.1.12 Các ngõ ra với tín hiệu đặt là sóng vuông và các cực p1 = p2 = p3 = −50 ......................................................................................... 35 Hình 4.1.13 Các ngõ vào với tín hiệu đặt là sóng vuông và các cực p1 = p2 = p3 = −50 ......................................................................................... 36 Hình 4.2.1 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600 ................................................................................................................................... 37 Hình 4.2.2 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600 ................................................................................................................................... 38 Hình 4.2.3 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 100 ................................................................................................................................... 39 Hình 4.2.4 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 100 ................................................................................................................................... 39 Hình 4.2.5 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 20 ..... 40 Hình 4.2.6 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 20 ................................................................................................................................... 40 Hình 4.2.7 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 3000 ................................................................................................................................... 41 Hình 4.2.8 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 3000 ................................................................................................................................... 42 Hình 4.2.9 Các ngõ ra với tín hiệu đặt là sóng sin, các cực p1 = p2 = −50; K = 600 ................................................................................................................................... 43 Hình 4.2.10 Các ngõ vào với tín hiệu đặt là sóng sin, các cực p1 = p2 = −50; K = 600 ................................................................................................................................... 43 Hình 4.2.11 Các ngõ ra với tín hiệu đặt là sóng vuông, các cực p1 = p2 = −50; K = 600 .................................................................................. 44 Hình 4.2.12 Các ngõ vào với tín hiệu đặt là sóng vuông, các cực p1 = p2 = −50; K = 600 .................................................................................. 44 ix Trang Hình 4.3.1 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.25 .................................................................. 46 Hình 4.3.2 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 600;κ 0 = 0.25 ................................................................... 46 Hình 4.3.3 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.5 ..................................................................... 47 Hình 4.3.4 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p 2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.5 ..................................................................... 48 Hình 4.3.5 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 ................................................................... 49 Hình 4.3.6 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 ................................................................... 49 Hình 4.3.7 Các ngõ ra với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.02 ................................................................... 50 Hình 4.3.8 Các ngõ vào với tín hiệu đặt r = 7mm , các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.02 ................................................................... 50 Hình 4.3.9 Các ngõ ra với tín hiệu đặt sóng sin, các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 ................................................................................................................................... 51 Hình 4.3.10 Các ngõ vào với tín hiệu đặt sóng sin, các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 ................................................................... 52 Hình 4.3.11 Các ngõ ra với tín hiệu đặt sóng vuông, các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 ................................................................... 52 Hình 4.3.12 Các ngõ vào với tín hiệu đặt sóng vuông, các cực p1 = p2 = −50; K = 600; κ 0 = 0.11 .................................................................... 53 Hình A.1 Mạch nguồn .............................................................................................. 60 x Trang Hình A.2 Mạch vi điều khiển ................................................................................... 61 Hình A.3 Mạch cảm biến.......................................................................................... 61 Hình A.4 Mạch ADC................................................................................................ 62 Hình A.5 Mạch DAC và khuếch đại công suất ........................................................ 62 Hình A.6 Mạch in nguồn .......................................................................................... 63 Hình A.7 Mạch in vi điều khiển ............................................................................... 64 Hình A.8 Mạch in cảm biến ..................................................................................... 64 Hình A.9 Mạch in ADC............................................................................................ 65 Hình A.10 Mạch in DAC và khuếch đại công suất .................................................. 65 Hình B.1 Quan hệ giữa thời gian đáp ứng của BS520 và điện trở tải...................... 67 Hình B.2 Độ nhạy phổ tương đối theo bước sóng của BS520 ................................. 67 Hình B.3 Tốc độ baud và khung truyền dữ liệu ....................................................... 68 Hình B.4 Các nguồn xung clock cho cổng nối tiếp của vi điều khiển ..................... 69 Hình B.5 Chu kỳ lấy mẫu ......................................................................................... 70 Hình B.6 Hệ số tự cảm cuộn dây.............................................................................. 71 Hình C.1 Simulink Model file “FeedLin.mdl”......................................................... 83 Hình C.2 Simulink Model file “FeedLinBackStep.mdl” ......................................... 86 Hình C.3 Simulink Model file “FeedLinBackStepLyapunov.mdl”......................... 89 Hình D.1 Thiết bị nâng từ trường nhìn từ trên ......................................................... 90 Hình D.2 Thiết bị nâng từ trường nhìn nghiêng....................................................... 90 Hình D.3 Thiết bị nâng từ trường khi hoạt động...................................................... 91 Hình D.4 Khối mạch nguồn...................................................................................... 91 Hình D.5 Khối mạch vi điều khiển........................................................................... 92 Hình D.6 Khối mạch cảm biến ................................................................................. 92 Hình D.7 Khối mạch ADC ....................................................................................... 93 Hình D.8 Khối mạch DAC và khuếch đại công suất................................................ 93 Hình D.9 Nam châm điện......................................................................................... 94 xi DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 2.1 Giá trị các thông số mô hình ..................................................................... 10 Bảng B.1 Một số tính chất quang-điện tử của BS520 khi làm việc tại 250C ........... 66 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Thiết bị nâng từ trường 1.1.1 Giới thiệu và ứng dụng ¾ Thiết bị nâng từ trường là các thiết bị nâng các đối tượng làm từ vật liệu sắt từ nhờ từ trường. ¾ Có nhiều ứng dụng: • Tàu cao tốc Hình 1.1 Tàu cao tốc • Vòng bi từ: Hình 1.2 Vòng bi từ + Do không có tiếp xúc cơ học giữa rotor và stator, vòng bi từ rất lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ quay cao. Có hai loại vòng bi từ: thụ động và tích cực. + Vòng bi từ thụ động sử dụng nam châm vĩnh cửu và các chất siêu dẫn làm năng lượng từ và thường không cần hệ thống điều khiển vòng Chương 1 – Tổng quan 2 kín. Trong khi đó, vòng bi từ tích cực sử dụng nam châm điện làm nguồn từ và cần điều khiển vòng kín giúp ổn định hóa ngõ ra. • Sản xuất thép • Chế tạo chất bán dẫn + Do các thiết bị nâng từ trường không tiếp xúc và không bụi bẩn, nên chúng rất thích hợp cho vận chuyển phiến bán dẫn. + Thiết bị nâng từ trường cũng rất thích hợp cho bàn chuyển động bước trong quang khắc. Các bàn bước cho chuyển vị lớn trong mặt phẳng, chuyển vị nhỏ vuông góc với mặt phẳng và các chuyển vị roll, pitch và yaw nhỏ. • Máy công cụ • Vận hành từ xa: Các cơ cấu tác động từ có ứng dụng rộng rãi trong các môi trường nguy hiểm cần đến vận hành từ xa như nhà máy hóa học, phòng thí nghiệm các chất sinh học nguy hiểm, lò phản ứng hạt nhân… • và nhiều ứng dụng khác. 1.1.2 Thử thách điều khiển ¾ Thiết bị nâng từ trường có tính phi tuyến và tính không ổn định vòng hở cao: đòi hỏi khử bỏ tính phi tuyến và ổn định hóa cao. ¾ Động lực học đối tượng không biết chính xác. 1.1.3 Các phương pháp điều khiển Có một số phương pháp thường được dùng để điều khiển thiết bị nâng từ trường: • Tuyến tính hóa Jacobi ([1]) • Hồi tiếp tuyến tính hóa ([1], [2], [6], [11], [15], [30]) • Điều khiển trượt ([1], [17]) • Điều khiển cuốn chiếu ([21], [24]) • Điều khiển ổn định hóa dựa trên hàm Lyapunov ([15]) Chương 1 – Tổng quan 3 Trong đề tài, ta chọn một mô hình động lực học (gọi là mô hình danh định) cho đối tượng và sử dụng phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa điều khiển mô hình danh định này. Sau đó ta sử dụng điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign giúp ổn định hóa hệ thống có sai số động lực học. 1.2 Tổ chức luận văn Luận văn gồm các chương và phụ lục sau: • Chương 1 – Tổng quan : giới thiệu thiết bị nâng từ trường, ứng dụng thiết bị, các thử thách điều khiển và tổ chức luận văn. • Chương 2 – Mô tả và mô hình hóa hệ thống : mô tả phần cứng đã thi công và xây dựng mô hình toán cho đối tượng. • Chương 3 – Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa: lý thuyết điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa và các kỹ thuật kết hợp là điều khiển cuốn chiếu và phương pháp Lyapunov Redesign. • Chương 4 – Kết quả thực nghiệm: trình bày các kết quả thực nghiệm áp dụng cho mô hình đối tượng sử dụng lý thuyết trong chương 3. • Chương 5 – Kết luận và hướng phát triển đề tài: trình bày các nhận xét về phần cứng và thuật toán điều khiển, hướng phát triển phần cứng và thuật toán điều khiển. • Phụ lục A – Sơ đồ mạch điện tử: trình bày mạch nguyên lý thiết kế trên ISIS (Intelligent Schematic Input System) và mạch in thiết kế trên ARES (Advanced Routing and Editing Software). ISIS và ARES là 2 gói phần mềm chính của phần mềm Proteus của Labcenter. • Phụ lục B –Xác định các thông số mô hình: xác định thông số mô hình của đối tượng và các chi tiết về mô hình đã thi công. • Phụ lục C – Các chương trình: mã chương trình nạp cho vi điều khiển AT89C51, mã các chương trình mô phỏng. • Phụ lục D – Hình ảnh phần cứng: các hình ảnh về mô hình đã thi công. Chương 1 – Tổng quan 4 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2.1 Mô tả hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Các ký hiệu trong hình 2.1: ¾VP: điện áp sử dụng đo vị trí của đối tượng điều khiển ¾ VS: điện áp sử dụng đo dòng điện qua cuộn dây ¾ RS: điện trở dùng để đo dòng điện qua cuộn dây (giá trị bằng 1Ω) ¾ RC: điện trở cuộn dây Chương 2 – Mô tả và mô hình hóa hệ thống 5 ¾ LC: hệ số tự cảm cuộn dây ¾ VC: điện áp cấp vào cuộn dây ¾ IC :dòng điện qua cuộn dây ¾ DAC: bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, trong mô hình sử dụng DAC0808 8-bit ¾ ADC: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, trong mô hình sử dụng ADC0809 8-bit 8-kênh ¾ Vi điều khiển: trong mô hình sử dụng vi điều khiển AT89C51 ¾ Photodiode: trong mô hình sử dụng BS520 Thiết bị nâng từ trường gồm 03 phần chính: ¾ Photodiode đo vị trí đối tượng điều khiển ¾ Mạch điện tử điều khiển và mạch khuếch đại công suất ¾ Nam châm điện 2.1.1 Nguyên lý hoạt động ¾ Điện áp VP từ photodiode sau khi khuếch đại, được đưa vào kênh 1 của ADC 8 bit, ngõ ra số của ADC tương ứng với vị trí đối tượng. ¾ Ngoài VP, còn có điện áp VS từ điện trở RS sau khi khuếch đại, được đưa vào kênh 0 của ADC 8 bit, ngõ ra số của ADC tương ứng với dòng điện qua cuộn dây. ¾ Các ngõ ra số của ADC được đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển gửi dữ liệu này tới máy tính qua đường truyền RS232. ¾ Điện áp cấp cho cuộn dây được thay đổi bởi tín hiệu điều khiển 8 bit từ máy tính gửi xuống vi điều khiển. Vi điều khiển đưa tín hiệu này vào DAC. Ngõ ra DAC được đưa vào mạch khuếch đại công suất và vào hai đầu cuộn dây. ¾ Ngoài các tín hiệu đo được từ ADC là vị trí và dòng điện, vi điều khiển còn thực hiện đo chu kỳ lấy mẫu - thời gian của một chu kỳ điều khiển (chi tiết về chu kỳ lấy mẫu được trình bày trong phụ lục B). Chương 2 – Mô tả và mô hình hóa hệ thống 6 ¾ Chu kỳ lấy mẫu kết hợp với vị trí đối tượng được dùng để tính ra vận tốc đối tượng. Sau đó vị trí, vận tốc và dòng điện được chương trình điều khiển sử dụng để tính ra điện áp điều khiển. 2.1.2 Photodiode đo vị trí đối tượng Hình 2.2 Photodiode BS520 Vị trí đối tượng điều khiển sẽ quyết định lượng ánh sáng từ đèn chiếu vào photodiode ít hay nhiều dẫn đến thay đổi điện áp ngõ ra hai đầu photodiode. Điện áp này được khuếch đại và đưa vào kênh 1 của ADC 0809. Một số tính chất của BS520 được trình bày trong phụ lục B. 2.1.3 Mạch điện tử điều khiển Thực hiện chức năng: + Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và khuếch đại tín hiệu này trước khi cấp vào cuộn dây nam châm điện. + Đo vị trí đối tượng, dòng điện qua cuộn dây, chu kỳ lấy mẫu và gửi các tín hiệu này về máy tính. 2.1.4 Nam châm điện Hình 2.3 Mô hình cuộn dây nam châm điện ¾ Được quấn từ 2600 vòng dây đồng kích thước 0.85mm. ¾ Chiều dài 100mm. Chương 2 – Mô tả và mô hình hóa hệ thống