Điều khiển máy trộn nhựa composite dùng MCU-MSP430

Nội dung text: Điều khiển máy trộn nhựa composite dùng MCU-MSP430

1. Điều khiển máy trộn nhựa composite dùng MCU-MSP430 Composite material mixer control using MCU-MSP430 Nguyễn Lê Hùng Danh, Nguyễn Minh Trường và Nguyễn Chí Ngôn* Trường Đại học Cần Thơ *e-Mail: ncngon@ctu.edu.vn. Tóm tắt thông đường thủy và các vật liệu composite khác đang Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo máy được người dân đặt ra. trộn vật liệu nhựa composite tích hợp bộ điều khiển PID Từ nhu cầu thực tiễn về máy trộn composite quy mô nhỏ, số dựa trên vi điều khiển MSP430 của hãng Texas giá thành rẻ, phục vụ các phòng thí nghiệm hoặc hộ gia Instruments. Bộ điều khiển có công suất nhỏ và chi phí đình, nghiên cứu này hướng đến việc thiết kế và chế tạo thiết kế và chế tạo thấp, phù hợp với quy mô ứng dụng máy trộn tự động. Để kiểm soát máy trộn này, bộ điều nhỏ mà Đồng bằng sông Cửu Long đang đặt ra. Ngoài ra, khiển PID số [2], dùng MCU-MSP430 [3,4] được sử dụng thiết bị này có khả năng truyền thông với máy tính giúp để kiểm soát thời gian và tốc độ quay của động cơ điện khảo sát và tìm kiếm quy trình trộn vật liệu nhựa DC thùy thuộc vào tỷ lệ nhựa pha trộn, vốn đã được nhóm composite tối ưu. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy bộ nghiên cứu triển khai thành công trước đó [5]. điều khiển đã hoạt động hiệu quả. Phần mềm cài đặt cho phép máy tự tính toán được vận tốc và thời gian trộn phù 2. Phương pháp thiết kế hợp với tỷ lệ bột đá - nhựa composite được sử dụng. 2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển Abstract Sơ đồ bộ điều khiển PID số điều khiển động cơ DC dựa This study aims to design and implement a composite trên MCU-MSP 430 được thể hiện trên hình H.1 [5]. material mixer integrated a digital PID controller using Nguyên lý hoạt động của hệ như sau: Đầu tiên, vận tốc the micro-processor MSP430 of the Texas Instruments. tham khảo Vset được cài đặt cho hệ thống. Lúc này, hệ The controller was designed with low power and low cost thống khảo sát là hệ hở. Khi động cơ hoạt động, ở giai for using in small-scale applications demanded by the đoạn khởi tạo, vi điều khiển sẽ tiến hành lấy mẫu vận tốc Mekong Delta. Moreover, this machine can interface with đáp ứng của hệ hở này thông qua encoder. Sau khi lấy PC for studying and estimating the optimal process of mẫu xong, vi điều khiển sẽ hiệu chỉnh các thông số KP, mixing the composite materials. The experimental results KD và KI của bộ điều khiển. Từ các thông số vừa nhận, bộ indicated the effectiveness of the controller. And the điều khiển PID số được thiết lập trên vi điều khiển và sẵn system software allows estimating the mixing time and sàng hoạt động. velocity automatically. Keywords: PID controller, MCU-MSP430, Composite material mixer. Chữ viết tắt MCU Microcontroller unit PID proportional-integral-derivative controller 1. Giới thiệu Ngày nay, vật liệu composite được ứng dụng rất nhiều H.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số trên MCU-MSP 430 trong các lĩnh vực của đời sống xã hội như trong giao thông, y tế, giáo dục, công nghiệp, dân dụng [1] Cơ 2.2 Thiết kế phần cứng bộ điều khiển. tính vật liệu của các sản phẩm composite phụ thuộc vào 2.2.1 Khối nguồn nhiều yếu tố, trong đó có quá trình trộn nhựa composite Hình H.2 mô tả sơ đồ thiết kế đơn giản cho nguồn cấp nóng chảy với các vật liệu gia cường khác. Vì vậy, đã có điện của kit PID [5]. Trong đó điện áp 5V DC, được đưa nhiều máy trộn được chế tạo để phục vụ cho nhu cầu trộn qua chip LM1117 để tạo nguồn 3.3V DC cấp cho vi điều composite trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, các máy khiển MCU-MSP430 F5529. trộn hiện nay được chế tạo với quy mô công nghiệp có J9 5V 3.3V dung tích trộn lớn và giá thành cao, chưa phù hợp với quy 2 VCC5 2 VCC3.3 TEST 1 mô ứng dụng nhỏ. 1 GND 1 GND RST 2 J1 DC JACK_0 U4 NAP Trong khi đó, ở Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay, một 1 VCC5 3 2 VCC3.3 C4 VIN VOUT C6 C3 R12 1 C5 ADJ lượng lớn tàu, thuyền composite đã và đang được người 2 10uF 104 10uF 104 330 dân sử dụng để vận chuyển hàng hóa, nông sản. Quá trình LM1117 vận chuyển, các tàu thuyền này dễ dàng bị va chạm với D1 nhiều chướng ngại vật gây rạn nứt, vỡ ở mức độ nhỏ. Do LED vậy, nhu cầu sử dụng máy trộn vật liệu composite quy mô GND nhỏ, để nông dân có thể tự sửa chữa các phương tiện giao H.2 Sơ đồ thiết kế khối nguồn VCCA-2015
2. Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hóa - VCCA-2015 2.2.6 Khối giao tiếp máy tính 2.2.2 Khối xử lý trung tâm Khối giao tiếp máy tính được thực hiện thông qua cổng Khối xử lý trung tâm dùng vi điều khiển MSP430F5529 USB và giao tiếp với vi điều khiển MSP430 thông qua của hãng Texas Instruments, hình H.3. Khối này có chức UART, được thiết kế đơn giản như hình H.5. năng lấy mẫu đáp ứng, xuất tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ từ bộ điều khiển PID số tích hợp, nhận lệnh điều khiển từ người dùng và cho phép chọn các chế độ xử lý, báo hiệu. H.5 Mô-đun FT232 để giao tiếp giữa máy trộn và máy tính 2.2.7 Điều khiển động cơ DC bằng MCU Đối tượng điều khiển là động cơ DC 24V (hình H.6), có vận tốc không tải tối đa là 3.000 vòng/phút, được đưa qua bộ giảm tốc có hệ số truyền là 30:1. Động cơ được lắp chân vịt dùng để quay trộn hỗn hợp bột đá và nhựa composite nóng chảy. H.3 Sơ đồ thiết kế của khối xử lý trung tâm 2.2.3 Khối hiển thị LCD LCD 16x2 được dùng để hiển thị các thông số cần thiết hỗ trợ tương tác giữa hệ thống và người sử dụng. 2.2.4 Khối công suất Khối công suất hình H.4 dùng chip L298D. Đây là chip tích hợp 2 mạch cầu H, dùng để điều khiển tốc độ và đảo chiều chuyển động của động cơ. H.6 Đối tượng điều khiển là động cơ 24V VCC5 D8 D7 MOTOR U5 MOTOR1 MOTOR1 1 NE1 5 2 MOTOR2 MOTOR2 2 NE2 7 1A1 1Y1 3 KENHA 3 1A2 1Y2 D5 D6 VCC3.3 4 10 13 KENHB 5 12 2A1 2Y1 14 GND 6 2A2 2Y2 GND GND 1 15 1E MOTOR 2E J6 PWM 6 11 1EN J2 VCC5V 1 2EN VCCL298 2 VCC5 9 MOTOR1 1 VIN 3 VCCL298 4 VCC1 MOTOR2 2 VCC2 CON3 L298 DOMINO MOTOR H.4 Khối công suất điều khiển động cơ 2.2.5 Khối Encoder Việc đọc encoder trên MSP430F5529 được thực hiện bằng ngắt ngoài. Đây là một phương pháp dễ thực hiện H.7 Giao diện điều khiển máy trộn trên PC bằng cách nối kênh A của encoder với 1 ngắt ngoài (INT2 chẳng hạn) và kênh B với một chân bất kỳ của vi điều 2.2.8 Chương trình điều khiển trên máy tính khiển (không phải chân ngắt). Mỗi khi ngắt ngoài tác Giao diện phần mềm điều khiển hình H.7 được xây dựng động, tức có 1 xung xuất hiện trên kênh A thì trình phục trên nền Visual Basic, để giao tiếp với thiết bị thông qua vụ ngắt ngoài tự động được gọi. Trong chương trình phục cổng USB của máy tính. Phần mềm này gồm: khối kết vụ ngắt, ta kiểm tra mức của kênh B. Tùy theo mức của nối, khối điều khiển thủ công, khối điều khiển tự động và kênh B, biến đếm xung được tăng 1 hoặc giảm 1 đơn vị. khối hiển thị. Phần mềm có khả năng tự tính toán được VCCA-2015
3. tốc độ và thời gian quay của động cơ, khi người dùng nhập tỷ lệ nhựa composite có trong hỗn hợp bột đá – composite cần trộn. Ngoài ra, từ phần mềm người sử dụng có thể lựa chọn một số dữ liệu trộn với tỷ lệ nhựa composite – bột đá cài đặt sẵn. Các thông số này có được từ các thực nghiệm triển khai trên mô hình hình H.8. 3. Kết quả thực nghiệm 3.1 Đáp ứng tốc độ của máy trộn Khi tỷ lệ bột đá – nhựa conposite thay đổi làm tải của động cơ thay đổi. Điều này yêu cầu bộ điều khiển phải kiểm soát động cơ để đảm bảo tốc độ trộn đặt trước, nhằm đạt được chất lượng sản phẩm composite theo yêu cầu. Mô hình trong hình H.8 được triển khai thực nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy đáp ứng tốc độ của động cơ đạt yêu cầu như trên hình H.9. Ở đây tốc độ động cơ bám tốt tốc độ tham khảo, với độ vọt lố không đáng kể và sai số xác lập được triệt tiêu. H.11 Máy zwick/roell HT50P dùng đo cơ tính sản phẩm 3.2 Khảo sát cơ tính vật liệu Nghiên cứu này đã tiến hành trên 12 thí nghiệm điều khiển động cơ trộn đều 04 tỷ lệ hỗn hợp bột đá – composite (50% - 50%, 60% - 40%, 70% - 30%, 75% - 25%) tương ứng với vận tốc động cơ quay là 70 vòng/phút, 80 vòng/phút, 90 vòng/phút (bảng B.1). Sản phẩm composite giả đá thu được trên hình H.10 được thử nghiệm cơ tính bằng Máy đo zwick/roell HT50P (hình H.11). Kết quả đo cơ tính vật liệu được so sánh với Tiêu chuẩn việt nam [6] để xác định thông số về thời gian trộn và tốc độ trộn hỗn hợp bột đá – composite tốt nhất. H.8 Mô hình thực nghiệm B.1 Thông số bố trí thí nghiệm Tỷ lệ bột đá – Composite Tốc độ quay (trong 1 lít hỗn hợp) động cơ 50% - 60% - 70% - 75% - (vòng/phút) 50% 40% 30% 25% 70 3:00 3:24 3:44 4:07 80 2:48 3:05 3:25 3:52 90 2:22 2:57 3:13 3:44 Từ kết quả kiểm tra cơ tính vật liệu của 12 sản phẩm composite giả đá, căn cứ theo tiêu chuẩn [6], nghiên cứu đề xuất tham số điều khiển động cơ trộn hỗn hợp bột đá – composite tốt nhất tại bảng B.2. H.9 Đồ thị đáp ứng tốc độ của động cơ trộn B.2 Đề xuất tham số điều khiển máy trộn nhựa composite Tỷ lệ bột đá - composite Tốc độ quay Thời gian quay 50% - 50% 80 vòng/phút 2 phút 48 giây 60% - 40% 80 vòng/phút 3 phút 05 giây 70% - 30% 90 vòng/phút 3 phút 13 giây 75% - 25% 80 vòng/phút 3 phút 52 giây H.10 Sản phẩm composite giả đá Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng, việc điều khiển 3.3 Xác định thời gian và tốc độ trộn theo tỷ lệ nhựa tốc độ của động cơ trộn bằng vi điều khiển MSP430 tích Từ thí nghiệm điều khiển trộn 4 tỷ lệ hỗn hợp bột đá – hợp bộ điều khiển PID số là đơn giản và cho kết quả tốt. composite nêu trên nghiên cứu đã đề xuất được thời gian Vấn đề đặt ra là khi áp dụng thiết bị này vào quay trộn và vận tốc trộn phù hợp để sản phẩm có cơ tính tốt nhất hỗn hợp nhựa composite-bột đá thì phần mềm điều khiển (bảng B.2). Tuy nhiên trong thực tế, tùy thuộc vào nhu phải có khả năng tự cài đặt được thời gian và tốc độ trộn cầu sử dụng tỷ lệ bột đá - nhựa composite có giá trị bất sao cho phù hợp với tỷ lệ nhựa composite-bột thực tế. Để kỳ, chẳng hạn 27%, 36%, 52%, 61%, Khi đó hệ thống đạt được mục tiêu này, nghiên cứu cần khảo sát cơ tính cần tự xác định thời gian và tốc độ trộn phù hợp. Để giải của vật liệu thành phẩm, nhằm tìm ra quan hệ giữa thời quyết vấn đề này, nghiên cứu cần xác định phương trình gian và tốc độ trộn đối với tỷ lệ nhựa composite-bột đá. f1(x) biểu diễn quan hệ giữa tỷ lệ nhựa và thời gian trộn; VCCA-2015
4. Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hóa - VCCA-2015 cũng như cần xác định phương trình f2(x) biểu diễn quan Vậy hàm thời gian trộn theo tỷ lệ nhựa là: hệ giữa tỷ lệ nhựa và vận tốc trộn, như (1): t f(x) 220.3 x 274.37 (4) t f() x 1 1 (1) v f2 () x 3.3.2 Tìm tốc độ trộn Trong đó, t là thời gian trộn; v là vận tốc trộn và x là tỷ lệ Tốc độ trộn được xác định theo phương trình : bột đá – nhựa composite. v f2 (x) ax+b Từ dữ liệu thực nghiệm, ta thấy f1 và f2 đều có dạng Tương tự, ta cần tìm hệ số a, b cho phương trình, phù hợp phương trình đường thẳng y=f(x)=ax+b, do đó, áp dụng với tập dữ liệu thực nghiệm {xi, vi}: phương pháp bình phương tối thiểu ta dễ dàng xác định các hệ số a, b của hai phương trình này bằng một tập dữ n 1 2 3 4 liệu thực nghiệm. Thật vậy, gọi {xi, yi} là tập dữ liệu thực xi 0.5 0.4 0.3 0.25 nghiệm, thì sai biệt giữa phương trình f(xi) và dữ liệu thực vi 80 80 90 80 nghiệm yi là: Ta có : err yi f(x i ) y i (ax i b) v nx i b  i Với n mẫu dữ liệu thực nghiệm, để đạt được giá trị sai 2 * xxa xv biệt err nhỏ nhất, ta cần xác định các hệ số a, b để tổng ii  ii bình phương sai biệt này là nhỏ nhất: Thế vào, ta được: nn b 330 22 4 1.45 d err ( yii (ax b )) (2) *  1.45 0.5625 ii 11 a 199 Dễ thấy để (2) nhỏ nhất, thì đạo hàm riêng của (2) theo a b 88.644 và b phải đạt cực tiểu, tức: d n a 16.94 2 x (yb ax ) 0  i i i a i 1 Vậy hàm tốc độ trộn theo tỷ lệ nhựa là: d n 2 (ybii ax ) 0 v f2 (x) 16.94 x 88.644 (5) b i 1 Phương trình (4) và (5) là cơ sở để phần mềm kiểm soát Khi đó ta được: 2 máy trộn tự xác định thời gian và tốc độ trộn tùy thuộc a xi b  x i () x i y i vào tỷ lệ nhựa do người dùng cung cấp. Ví dụ, với tỷ lệ bộ đá – nhựa composite là x=0.57 thì thời gian trộn: a xii b* n y Hay biểu diễn lại dưới dạng ma trận: t = (-220.3 * 0.57) + 274.37 = 148.79 giây A*X = B và tốc độ trộn : Với: v = (-16.94 * 0.57) + 88.644 = 78.9 vòng/phút. y nx i a  i A ; X ; B . Như vậy, từ việc khảo sát cơ tính vật liệu và các tính xx2 ii b  xyii toán cần thiết, nghiên cứu này đã đề xuất được hai Khi đó ta xác định được các hệ số a, b bằng: phương trình (4) và (5) mô tả tương quan giữa thời gian X = A-1 * B (3) và tốc độ trộn đối với tỷ lệ nhựa composite-bột đá. Điều này cho phép máy trộn có khả năng tự xác định tham số 3.3.1 Tìm thời gian trộn làm việc, góp phần đảm bảo cơ tính vật liệu, tiết kiệm Thời gian trộn được xác định theo phương trình : thời gian và chi phí năng lượng,. t f1 (x) ax+b Áp dụng (3) ta xác định được các hệ số a,b cho phương 4. Kết luận Máy trộn vật liệu nhựa composite đã được thiết kế và thi trình, phù hợp với tập dữ liệu thực nghiệm {xi, ti}: công với bộ điều khiển PID số tích hợp trên vi điều n 1 2 3 4 khiển MSP430, đạt kết quả khả quan. Người sử dụng chỉ x 0.5 0.4 0.3 0.25 i cần nhập tỷ lệ bột đá – nhựa composite theo trọng ti 168 185 193 232 lượng, máy sẽ tự động kiểm soát thời gian và tốc độ trộn Ta có : phù hợp để sản phẩm composite thu được đạt cơ tính t theo tiêu chuẩn. Máy trộn này hoàn toàn có thể thương nx i a  i 2 * mại được cho các nhu cầu sử dụng ở quy mô nhỏ. xxb ii  xtii hay: 4 1.45 b 778 Tài liệu tham khảo * [1] Trần Ích Thịnh, Vật liệu composite Cơ học và tính 1.45 0.5625 a 273.9 toán kết cấu. Nhà xuất bản Giáo dục, 1994. b 274.37 [2] Astrom, K.J. and T. Hagglund. PID Controllers, 2nd ed., Instrument Society of America, 1995. a 220.3 VCCA-2015
5. [3] Texas Instruments, MSP430™ Ultra-Low-Power Nguyễn Minh Trường, nhận bằng Kỹ Microcontrollers, 2014. sư Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa [4] John H. Davies, MSP430 Microcontroller Basics. 1st năm 2014 tại Trường Đại học Cần Thơ. Ed., Newnes, 2008. Anh hiện là kỹ sư của Công ty TNHH [5] Nguyễn Chí Ngôn và Nguyễn Minh Trường, Ứng TM & DV kỹ thuật Trần Huỳnh tại dụng vi điều khiển MSP430 để xây dựng kit điều thành phố Hồ Chí Minh. khiển PID số. Kỷ yếu Hội nghị VCM-2014, trang 96-100, DOI: 10.15625/VCM.2014-231. Nguyễn Chí Ngôn nhận bằng Kỹ sư [6] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4032:1985 - Phương Điện tử tại Đại học Cần Thơ năm 1996, pháp xác định giới hạn bền uốn và nén. bằng Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử tại Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh năm 2001, và nhận bằng Tiến sỹ Điều khiển tự động tại Đại học Rostock, Cộng hòa Liên ban Đức năm 2007. Nguyễn Lê Hùng Danh, sinh 1981, Tiến sỹ Nguyễn Chí Ngôn tham gia giảng dạy tại trường hiện là học viên lớp cao học Kỹ thuật Đại học Cần Thơ từ năm 1996 đến nay. Hiện anh là Phó Điện tử khóa 2014 - 2016, trường Đại giáo sư ngành tự động hóa thuộc Bộ môn Tự Động Hóa, học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Khoa Công Nghệ; giữ chức vụ Giám đốc Trung tâm Điện Chí Minh. Anh sẽ báo cáo tốt nghiệp – Điện tử và Trưởng khoa Công Nghệ, Trường Đại học vào tháng 10/2015. Cần Thơ. VCCA-2015
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.