BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ SẢN PHẨM CĐT CON LẮC 1 BẬC TỰ DO KIỂU QUAY

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ -  - BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ SẢN PHẨM CĐT CON LẮC BẬC TỰ DO KIỂU QUAY Giáo viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Văn Trường Nhóm : 03 Nhóm Sinh Viên : Trần Thế Anh-2019608096 Trần Tuấn Anh-2019603510 Trần Đình Đức-2019603479 Hà Nội, 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.2 Khóa: 14 Tên nhóm: Nhóm 03 Họ tên thành viên: Trần Thế Anh (2019608096) Trần Tuấn Anh (2019603510) Trần Đình Đức (2019603479) II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu quay Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ - Xác định vấn đề - Thiết lập cấu trúc chức - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm phần mềm CAD và/hoặc vẽ phác Áp dụng công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch tập lớn III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tập lớn theo thời gian quy định (từ ngày 29/04/2022 đến ngày 03/06/2022) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống điện tử tài liệu tham khảo Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA CƠ KHÍ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Văn Trường NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường 1.2 Tiềm thị trường 1.2.1 Tìm kiếm hình thành ý tưởng 1.2.2 Khảo sát nhu cầu người dùng .9 1.2.3 Lập kế hoạch làm rõ nhiệm vụ 15 1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ 20 2.1 Xác định vấn đề .20 2.2 Thiết lập cấu trúc chức 21 2.2.1 Cấu trúc chức 21 a) Chức tổng thể 22 b) Xây dựng cấu chúc chức .22 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 23 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc .24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ .26 3.1 Xây dựng bước thiết kế cụ thể 26 3.1.1 Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc danh sách yêu cầu .26 3.1.2 Xác định điều kiện biên không gian cưỡng thiết kế cụ thể 27 3.1.3 Xác định layout thô- xác định phận thực chức 28 3.2 Xây dựng check list cụ thể .29 3.3 Phân tích bước xây dựng thiế kế cụ thể 30 3.3.1 Nhận diện phương án, xác định yêu cầu làm rõ ràng buộc không gian 30 3.3.2 Xác định phương án - Xác định phận thực chức 31 3.4 Tích hợp hệ thống 44 3.4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống 44 3.4.2 Sơ đồ mạch điện-điện tử 45 3.4.3 Phác thảo hệ thống .45 PHỤ LỤC 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mẫu xe cân thực tế .6 Hình 1.2: Biểu đồ lượng xe bán Hà Nội qua năm .7 Hình 1.3: Khảo sát nhu cầu khác hàng 12 Hình 1.4: Biểu đồ lứa tuổi khảo sát 13 Hình 1.5: Biểu đồ khoảng cách di chuyển trung bình ngày khách hàng .13 Hình 1.6: Biểu đồ độ hiểu biết khách hang xe tự cân 14 Hình 1.7: Biểu đồ thể mong muốn khách hàng sản phẩm .14 Hình 1.8: Biểu đồ thể gia thành mong muốn khách hàng 15 Hình 2.1: Chức tổng thể 22 Hình 2.2: Chức cụ thể .22 Hình 3.1: Encoder Omron E6B2-CWZ6C 31 Hình 3.2: Motor Planet Rs775 32 Hình 3.3: Bản vẽ chi tiết Motor 33 Hình 3.4: Bộ đổi nguồn .33 Hình 3.5: Bo mạch ARDUINO UNO R3 34 Hình 3.6: Vi điều khiển .35 Hình 3.7: Module L298N 38 Hình 3.8: Module LM2596 .39 Hình 3.9: Màn hình LCD 40 Hình 3.10: Bản vẽ chi tiết lắc .42 Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ 43 Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết cân quay cân 43 Hình 3.13: Lưu đồ thuật tốn 44 Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện-điện tử 45 Hình 3.15: Phác thảo hệ thống 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tổng hợp số mẫu xe thị trường Bảng 1.2: Danh sách yêu cầu 16 Bảng 2.1: Các vấn đề .20 Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc 23 Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc .24 Bảng 3.1: Xác định layout thô 28 Bảng 3.2: Xây dựng check list cụ thể .29 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường Trong năm gần đây, hệ thống lắc ngược tự cân ứng dụng nhiều xe điện hai bánh, nhu cầu xe điện hai bánh (xe máy điện xe đạp điện) ngày gia tăng thị Việt Nam Ngồi ra, việc sử dụng xe hai bánh tự cân ngày phổ biến khu vui chơi giải trí, khn viên nhà ngày nhiều đặc biệt tỉnh, thành phố lớn như: Hà Nội, Quảng Ninh, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh,… Xe tự cân ngày phỏ biến quen thuộc với tất người, đối tượng sử dụng rộng rãi từ già đến trẻ, học sinh, sinh viên, Hình 1.1: Mẫu xe cân thực tế Qua nhóm chúng em hướng đến nhóm khách hàng tiềm để phát triển dự án mình: • Trẻ em • Thanh thiếu niên • Người yêu thích cơng nghệ Board mạch Arduino sử dụng dịng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel với hai chip phổ biến ATmega328 ATmega2560 Các dòng vi xử lý cho phép lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp trang bị cấu hình mạnh với loại nhớ ROM, RAM Flash, ngõ vào digital I/O có nhiều ngõ có khả xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog chuẩn giao tiếp đa dạng UART, SPI, TWI (I2C) Hình 3.5: Bo mạch ARDUINO UNO R3 -Vi điều khiển 34 Hình 3.6: Vi điều khiển Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Ngoài ra,Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V -Thuật tốn điều khiển: Sử dụng PID Bơ ̣ điều khiển PID bơ ̣ điều khiển hồi tiếp vịng kín, kết hợp ba bơ ̣ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lê.̣ Nó có chức điều khiển thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập không chọn thông số phù hợp 35 Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán PID Biểu thức điều khiển PID: 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 Trong đó: Kp: Hệ số tỉ lệ Kd: Độ lợi vi phân Ki: độ lợi tích phân 36 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 Bảng 3.3: Tác động việc tăng thông số độc lập Thông Thời gian số khởi động Kp Giảm Quá độ Thời gian Sai số ổn định xác lập Tăng Thay đổi Độ ổn định Giảm Giảm cấp nhỏ Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp Kd Giảm Giảm Giảm Về lý thuyết Cải thiện không tác Kd động nhỏ -Mạch công suất Mạch công suất sử dụng L298N để điều khiển động DC với mạch cầu H sử dụng diode IN5822 Mạch cầu H đảo chiều dịng điện qua tải nên hay dùng mạch điều khiển động DC mạch băm áp Ưu nhược điểm cầu H : Ưu điểm : Mạch cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản tiết kiệm chi phí Nhược điểm : Nếu mạch điều khiển bật cơng tắc cầu mạch động lực bị ngắn mạch nguồn Nếu tượng xảy thời gian ngắn ( độ ) xuất dịng trùng dẫn qua van cơng suất làm tăng công suất tiêu tán van Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài , dòng trùng dẫn lớn làm cháy van công suất Tức mạch khơng có bảo vệ dịng áp 37 Hình 3.8: Module L298N Thơng số IC L298N • • • • • • Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ -Module hạ áp 5v Chuyển từ nguồn 12V DC sang 5V DC cấp cho vi điều khiển mạch công suất 38 Hình 3.9: Module LM2596 Thơng số kỹ thuật: • Nguồn đầu vào từ 4V - 35V • Nguồn đầu ra: 1V - 30V • Dịng Max: 3A • Kích thước mạch: 53mm x 26mm • Đầu vào: INPUT +, INPUT- • Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT- -Màn hình LCD 39 Hình 3.10: Màn hình LCD Thơng số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động: 5V • Kích thước: 80x36x12,5 mm • Có thể điều chỉnh với dây tín hiệu • VSS: cực âm nguồn cho LCD - GND: 0V • VDD: cực dương nguồn LCD - 5V • Contrast control (VEE): điều khiển độ sáng hình • Register Select (RS): lựa chọn ghi 40 • RS=0 chọn ghi lệnh • RS=1 chọn ghi liệu • Read/Write (R/W) • (R/W)=0 ghi liệu • (R/W)=1 đọc liệu • Enable: Cho phép ghi vào LCD • D0 – D7: chân trao đổi liệu với vi điều khiển, với chế độ sử dụng • Chế độ bit: liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 • Chế độ bit: liệu truyền đường từ DB4 đến DB7, bit MSB DB7 • Blacklight (blacklight anode (+) Blacklight Cathode (-) ): Tắt bật dèn hình LCD -Con lắc Vật liệu: nhơm 41 Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết lắc -Bệ đỡ Vật liệu: thép không gỉ 42 Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ -Cần quay cân Vật liệu: nhôm Hình 3.13: Bản vẽ chi tiết cân quay cân 43 3.4 Tích hợp hệ thống 3.4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán 44 3.4.2 Sơ đồ mạch điện-điện tử Hình 3.15: Sơ đồ mạch điện-điện tử 3.4.3 Phác thảo hệ thống Hình 3.16: Phác thảo hệ thống 45 PHỤ LỤC 46 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Sách, giáo trình chính: [1] Bộ môn Cơ điện tử, Đề cương giảng môn thiết kế hệ thống điện tử, ĐHCNHN - Sách, tài liệu tham khảo: [2] Robert H Bishop (2007), The mechatronics handbook điện tử, NXB đại học quốc gia Hà Nội [3] G Pahl, W Beitz (2008), Engineering design, Springer 48 ... dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu quay Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ -... bảo trì thiết bị hệ thống Giá Tổng giá thành sản phẩm: 1- 3 triệu đồng 18 Lịch trình Hoàn thành thiết kế 10 /06/2022 19 trước CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ 2 .1 Xác định vấn đề Bảng 2 .1: Các vấn đề bản... cầu Chiều dài lắc 10 -15 cm Đường kính lắc 0.5-1cm Kích thước Chiều dài lắc 15 -20 cm Đường kính lắc 1- 1,5 cm Chiều dài lắc 20-25 cm Đường kính lắc 1. 5-2 cm Chiều dài cần Chiều dài cần quay cân 25-