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 1 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp: ME6061.2 Khóa: 14 2 Tên nhóm: Nhóm 03 Họ và tên thành viên: Trần Thế Anh (2019608096) Trần Tuấn Anh (2019603510) Trần Đình Đức (2019603479) II Nội dung học tập 1 Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu quay 2 Hoạt động của sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ - Xác định các vấn đề cơ bản - Thiết lập cấu trúc chức năng - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng các bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác Áp dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm 3 Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch bài tập lớn III Nhiệm vụ học tập 1 Hoàn thành bài tập lớn theo đúng thời gian quy định (từ ngày 29/04/2022 đến ngày 03/06/2022) 2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án 1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài liệu tham khảo 2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường 1.2 Tiềm năng thị trường 1.2.1 Tìm kiếm và hình thành ý tưởng 1.2.2 Khảo sát về nhu cầu của người dùng 1.2.3 Lập kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ 1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ 2.1 Xác định các vấn đề cơ bản 2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng 2.2.1 Cấu trúc chức năng a) Chức năng tổng thể b) Xây dựng cấu chúc chức năng 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1 Xây dựng các bước thiết kế cụ thể 3.1.1 Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu 3.1.2 Xác định điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức của thiết kế cụ thể 3.1.3 Xác định các layout thô- xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính 28 3.2 Xây dựng check list cụ thể 3.3 Phân tích các bước xây dựng thiế kế cụ thể 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3.3.1 Nhận diện phương án, xác định các yêu cầu và làm rõ các ràng buộc về không gian 30 3.3.2 Xác định phương án - Xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính 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 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mẫu xe cân bằng thực tế 6 Hình 1.2: Biểu đồ lượng xe bán ra tại Hà Nội qua các năm 7 Hình 1.3: Khảo sát nhu cầu khác hàng 12 Hình 1.4: Biểu đồ lứa tuổi được khảo sát 13 Hình 1.5: Biểu đồ khoảng cách di chuyển trung bình một ngày của khách hàng 13 Hình 1.6: Biểu đồ độ hiểu biết của khách hang về xe tự cân bằng 14 Hình 1.7: Biểu đồ thể hiện mong muốn của khách hàng về sản phẩm 14 Hình 1.8: Biểu đồ thể hiện gia thành mong muốn của khách hàng 15 Hình 2.1: Chức năng tổng thể 22 Hình 2.2: Chức năng 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 con lắc 42 Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ 43 Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết cân quay cân bằng 43 Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán 44 Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện-điện tử 45 Hình 3.15: Phác thảo hệ thống 45 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tổng hợp một số mẫu xe trên thị trường 7 Bảng 1.2: Danh sách yêu cầu 16 Bảng 2.1: Các vấn đề cơ bản 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 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp thế giới Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây là một hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác động cho động cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít nhất hai ngõ ra) Ngoài ra, phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, đây là một mô hình nghiên cứu lý tưởng cho các phòng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển được nghiên cứu trên mô hình con lắc ngược nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân bằng hệ thống,… 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường Trong những năm gần đây, hệ thống con lắc ngược tự cân bằng được ứng dụng nhiều trong xe điện hai bánh, nhu cầu về xe điện hai bánh (xe máy điện và xe đạp điện) ngày càng gia tăng tại các đô thị Việt Nam Ngoài ra, việc sử dụng xe hai bánh tự cân bằng cũng ngày càng phổ biến tại các khu vui chơi giải trí, khuôn viên cũng như tại nhà ngày càng nhiều đặc biệt tại các tỉnh, thành phố lớn như: Hà Nội, Quảng Ninh, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh,… Xe tự cân bằng ngày càng phỏ biến và quen thuộc với tất cả mọi người, đối tượng sử dụng rất rộng rãi từ già đến trẻ, học sinh, sinh viên, Hình 1.1: Mẫu xe cân bằng thực tế Qua đó nhóm chúng em đang hướng đến nhóm khách hàng tiềm năng để phát triển dự án của mình: • Trẻ em • Thanh thiếu niên • Người yêu thích công nghệ 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán PID Biểu thức bộ điều khiển PID: ()= ()+ ∫ () 0 Trong đó: Kp: Hệ số tỉ lệ Kd: Độ lợi vi phân Ki: độ lợi tích phân 36 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Bảng 3.3: Tác động của việc tăng một thông số độc lập Thông số Kp Ki Kd -Mạch công suất Mạch công suất sử dụng L298N để điều khiển động cơ DC với mạch cầu H sử dụng 4 diode IN5822 Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Ưu và nhược điểm của cầu H : Ưu điểm : Mạch cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản và tiết kiệm chi phí Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nữa cầu thì sẽ mạch động lực bị ngắn mạch nguồn Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn ( quá độ ) sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài , dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất Tức là mạch không có bảo vệ dòng và áp 37 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.8: Module L298N Thông số IC L298N • • • • • • Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor) Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ -Module hạ áp 5v Chuyển từ nguồn 12V DC sang 5V DC cấp cho vi điều khiển và mạch công suất 38 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.9: Module LM2596 Thông số kỹ thuật: • Nguồn đầu vào từ 4V - 35V • Nguồn đầu ra: 1V - 30V • Dòng ra Max: 3A • Kích thước mạch: 53mm x 26mm • Đầu vào: INPUT +, INPUT- • Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT- -Màn hình LCD 39 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.10: Màn hình LCD Thông số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động: 5V • Kích thước: 80x36x12,5 mm • Có thể được điều chỉnh với 6 dây tín hiệu • VSS: cực âm nguồn cho LCD - GND: 0V • VDD: cực dương nguồn LCD - 5V • Contrast control (VEE): điều khiển độ sáng màn hình • Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi 40 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com • RS=0 chọn thanh ghi lệnh • RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu • Read/Write (R/W) • (R/W)=0 ghi dữ liệu • (R/W)=1 đọc dữ liệu • Enable: Cho phép ghi vào LCD • D0 – D7: 8 chân trao đổi dữ liệu với các vi điều khiển, với 2 chế độ sử dụng • Chế độ 8 bit: dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7 • Chế độ 4 bit: dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 đến DB7, bit MSB là DB7 • Blacklight (blacklight anode (+) và Blacklight Cathode (-) ): Tắt bật dèn màn hình LCD -Con lắc Vật liệu: nhôm 41 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết con lắc -Bệ đỡ Vật liệu: thép không gỉ 42 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ -Cần quay cân bằng Vật liệu: nhôm Hình 3.13: Bản vẽ chi tiết cân quay cân bằng 43 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3.4 Tích hợp hệ thống 3.4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán 44 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com PHỤ LỤC 46 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 47 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO - Sách, giáo trình chính: [1] Bộ môn Cơ điện tử, Đề cương bài giảng môn thiết kế hệ thống cơ điện tử, ĐHCNHN - Sách, tài liệu tham khảo: [2] Robert H Bishop (2007), The mechatronics handbook cơ điện tử, NXB đại học quốc gia Hà Nội [3] G Pahl, W Beitz (2008), Engineering design, Springer 48 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... 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 -... 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. .. trực tiếp môi trường 1. 2.3 Lập kế hoạch làm rõ nhiệm vụ Từ việc phân tích thị trường, nhóm lập kế hoạch để sản xuất dự án can lắc ngược bậc tự kiểu quay Thiết kế: Cơ khí: thiết kế khung vỏ xe Thuật