s TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Đề tài Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện một chiều bằng cảm biến encoder tương đối Giáo viên hướng dẫn Ths NHỮ QU.
s TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Đề tài: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến encoder tương đối Giáo viên hướng dẫn: Ths NHỮ QUÝ THƠ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Đức-2019601290 Phạm Ngọc Đức-2019604578 Nguyễn Ngọc Đức-2019606565 Hà Nội-2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Khóa: K14 Nguyễn Trung Đức 2019601290 Nguyễn Ngọc Đức 2019606565 Phạm Ngọc Đức 2019604578 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến encoder tương đối Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mô hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/9/2021 đến ngày 24/12/2021) Báo cáo nội dung 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: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú Ths Nhữ Quý Thơ MƠ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Điều khiển tốc độ động điện chiều núm xoay - Đo tốc độ động - Hiển thị tốc độ theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn mức tốc độ để đưa cảnh báo giá trị mức vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Encoder tương đối Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị tốc độ LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số/ Màn hình chạm Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thơng số Giá trị Giới hạn đo 0-1500v/p Sai số đo 5% Độ phân giải encoder >100 xung/vịng Cơng suất động >10W Điện áp động 12VDC Nội dung báo cáo - Bản vẽ TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ A3 thống - Báo cáo Mục lục LỜI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.3.3 Giới hạn nghiên cứu 1.3.4 Ý nghĩa thực tiễn 10 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 11 1.4 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 11 1.4.1 Tổng quan hệ thống 11 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 11 1.4.3 Sơ đồ khối hệ thống 12 1.5 Phân tích lựa chọn cảm biến 12 1.5.1 Phân loại encoder 13 1.5.2 Cấu tạo 13 1.5.3 Nguyên lý hoạt động 14 1.5.4 Những thông số encoder 15 1.6 Phân tích lựa chọn điều khiển 15 1.6.1 Vi điều khiển 15 1.6.2 Các chân lượng 16 1.6.3 Các cổng vào/ra có chức đặc biệt 16 1.6.4 Phần mềm lập trình 17 1.6.5 Mạch điều khiển tốc độ 17 1.6.6 Thông số kỹ thuật 17 1.6.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều 17 1.6.8 Nguyên lý làm việc PWM 18 1.7 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 19 1.7.1 Thiết kế mạch đo 19 1.7.2 Xử lý tín hiệu 19 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 20 1.8 Mơ hình hóa mơ hệ khí 20 1.8.1 Giới thiệu phần mềm 20 1.8.2 Bản vẽ lắp chi tiết hệ thống 20 1.9 Mơ hình hóa mơ hệ điều kiển 22 1.9.1 Mô chương trình điều kiển 22 1.10 Xây dựng chương trình điều khiển 24 KẾT LUẬN 25 PHỤ LỤC 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1Tổng quan hệ thống 11 Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống 12 Hình Encoder LPD3806- 360BM 13 Hình Cấu tạo encoder 14 Hình Minh họa encoder 15 Hình Mạch Arduino R3 16 Hình Mạch điều khiển động L298 17 Hình Đồ thị dạng xung điều chế PWM 18 Hình Mạch đo xử lý tín hiệu 19 Hình Bản vẽ lắp hệ thống 20 Hình Hệ thống hoàn thành 21 Hình 3 Giới hạn thị lên lcd 22 Hình Chưa đạt tốc độ tối thiểu 22 Hình Tốc độ nằm khoảng giới hạn 23 Hình Tốc độ nằm khoảng giới hạn 23 Hình Lưu đồ thuật toán 24 LỜI MỞ ĐẦU Cảm biến thiết bị phát phản hồi số loại đầu vào từ môi trường vật lý Đầu vào cụ thể ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất số nhiều tượng môi trường khác Đầu nói chung tín hiệu chuyển đổi thành hình đọc vị trí cảm biến hoặcđược truyền điện tử qua mạng để đọc xử lý thêm Encoder tương đối loại thiết bị mã hóa chuyển đổi chuyển động góc vị trí trục thành mã tương tự kỹ thuật số để xác định vị trí chuyển động Đây mã hóa quay sử dụng phổ biến Thiết bị sử dụng ứng dụng định vị phản hồi tốc độ động bao gồm ứng dụng servo/nhẹ, cơng nghiệp cơng việc hạng nặng Để góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhóm chúng emđã định chọn cảm Ecoder tương đối Nhóm chúng em nghĩ ý tưởng “hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến encoder tương đối” Cảm biến ecoder tương đối đặt số thiết bị sản xuất, để đếm tốc độ chuyển động động Mơ hình sử dụng cảm biến ecoder tương đối điều khiển ardunio mô phần mềm protues hiển thị tốc độ hình LCD, giúp đếm tốc độ động để đưa thông tin cho người điều khiển để điều khiển theo ý muốn Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô môn Cơ Điện Tử Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn thầy Nhữ Quý Thơ, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đồ án mơn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Cuối nhóm em xin chúc thầy tồn thể bạn lớp nhiều sức khỏe thành công công việc Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung - Hệ thống đo tốc độ động đóng vai trị quan trọng dây truyền sản xuất, giúp kiểm sốt tốc độ động cách xác giúp điều chỉnh tốc độ động q trình làm việc giúp cơng việc thực xác - Encoder thiết bị quan trọng cấu tạo động máy CNC , giúp đọc tốc dộ vị trí động cơ, nhờ xung vng có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động - Trong đề tài này, nhóm sử dụng cảm biến encoder tương đối để xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều hiển thị tốc độ động lên hình LCD, tốc độ khơng nằm khoảng cho phép thiết bị đưa thông báo để người điều khiển biết điều chỉnh 1.2 Các yêu cầu Để giải đề tài, nhóm cần giải số vấn đề sau: - Về phần hệ thống đo cảm biến:khi cảm biến encoder chuyển động chuyển đổi xử lý chuyển động chuyển thành tín hiệu điện Các tín hiệu truyền đến thiết bị điều khiển xử lý để hiển thị giá trị cần đo chương trình riêng biệt - Về phần điều khiển: hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều thông qua phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh Pulse Width Modulation phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao cịn dùng để ổn định tốc độ động Ngồi hệ thống cịn sử dụng phím nhập liệu để nhập giới hạn tốc độ hiển thị lên hình LCD cảnh báo LED - Về phầm mềm lập trình: phần mềm lập trình arduino ide máy tính, phần mềm lập trình xác, phổ biến, dễ dàng cho người tiếp cận - Mơ hình hóa mơ phỏng: Phần mềm Proteus cho phép mô hoạt mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều kiển PIC,AVR,ADRUINO, 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp - Dựa vào kiến thức học môn học như: Cở sở hệ thống tự động, cảm biến hệ thống đo, kỹ thuật vi xử lý, tìm hiểu Internet, sách - Áp dụng phương pháp thiết kế, viết chương trình tính tốn, phân tích, xử lý số liệu để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài - Hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến encoder, đặt vấn đề cần giải từ xây dựng hệ thống - Sử dụng kiến thức học mô phỏng, thiết kế mạch điện phần mềm Proteus - Xây dựng, thiết kể code điều kiển phần mềm arduino ide theo yêu cầu toán đặt 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu + Nghiên cứu, mơ động encoder, kít vi xử lí Arduino UNO R3, điều chỉnh tốc độ L298, PWM thông qua kiến thức học, tìm hiểu tài liệu thư viện sách, mạng internet + Cơ sở tính tốn, liên kết điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học mơ để đưa hệ thống hồn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế tạo mơ hình hệ thống 1.3.3 Giới hạn nghiên cứu + Tốc độ động từ đến 1500v/p + Công suất động 10W có điện áp động 12VDC + Encoder tương đối có độ phân giải lớn 100 xung/vịng + Bộ điều khiển vi xử lí Arduino UNO R3-8bit, tốc độ tối đa 16Mhz 1.3.4 Ý nghĩa thực tiễn - Hệ thống đo tốc độ cảm biến encoder tương đối điều khiển tốc độ PWM đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao phát triển khoa học, cơng nghệ -Mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị cơng nghiệp thiết bị công nghệ đời sống hiệu tạo tính an tồn cho người lao độ, động lực để nhóm em tìm hiểu có thêm nhiều hiểu biết cách điều khiển, thiết kế chế tạo hệ thống tối ưu đáp ứng đủ yêu cầu đưa -Áp dụng để sử dụng việc kiểm soát tốc độ dùng các thiết bị tự động hóa sản xuất, đo lường tốc kế,… 10 Trong q trình nghiên cứu nhóm chúng em định định sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dễ dàng tiếp cận lập trình vi điều khiển 2.3.8 Nguyên lý làm việc PWM PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ nguồn tải Khi van G mở, toàn điện áp dùng cho tải Khi van đóng, tải bị cắt nguồn điện áp Vì vậy, suốt chu kỳ đóng mở van G này, tải có lúc nhận tồn nguồn điện áp, có lúc nhận phần có lúc hồn tồn khơng nhận Hình Đồ thị dạng xung điều chế PWM 18 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 2.4.1 Thiết kế mạch đo Sử dụng phần mềm Proteus để mô mạch điện hệ thống: Hình Mạch đo xử lý tín hiệu 2.4.2 Xử lý tín hiệu + Trong nhóm chúng em sử dụng ngắt để đo số xung encoder + INT0: có cạnh xuống tín hiệu encoder biến xung tăng lên 1, biến lưu xung encoder + Gọi số xung xuất từ chân A 1s là: n + Số xung đĩa encoder là: Ne (khi động quay vịng kênh A B xuất Ne xung) + Tốc độ động cơ: V = n/Ne*60 (vòng/phút) + Vậy để đo tốc độ động cơ, bạn cần đếm số xung xuất từ kênh A B thời gian 1s hay nói cách khác chinh tần số xung encoder 19 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 1Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.1.1 Giới thiệu phần mềm Dựa theo yêu cầu đề đặt nhóm chúng em sử dụng phần mềm Solidworks để mô 3D hệ thống đo tốc độ động chiều cảm biến encoder Với đặc điểm dễ dàng sử dụng tiếp cận với thiết kế 3D chi tiết thiết kế lắp ghép cụm ghép, xuất vẽ dễ dàng 3.1.2 Bản vẽ chi tiết hệ thống Hình Bản vẽ chi tiết hệ thống 20 STT Chi tiết Encoder Kích thước - Đường kính trục quay: 0.8 cm Số lượng - Đường kính động : cm - Chiều dài động : 10 cm Biến trở Đèn cảnh báo Keypad 4x3 - Đường kính đáy trịn biến trở: cm - Đường kính led: 5mm - Kích thước ngồi bàn phím: 10cm x 7.5cm Màn hình LCD - Chiều dài tổng : 13 cm - Chiều rộng tổng : cm - Kích thước hình trong: cm x cm Khung Kích thước khung: 18x11 cm 3.1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống - Khi động điện chiều hoạt động đĩa quay quanh trục encoder, quay với tốc độ động cơ, cảm biến quang encoder nhận tín hiệu quang chiếu qua chỗ có khe lần nhận tín hiệu quang quy ước xung - Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu từ Encoder xử lý tín hiệu gửi thông tin hiển thị tốc độ động lên LCD so sánh với giới hạn tốc độ nhập từ bàn phím - Khi tốc độ vượt qua giới hạn cho phép đèn LED cảnh báo sáng - Khi tốc độ vượt giới hạn nhập đèn LED cảnh báo để người sử dụng biết điều chỉnh biến trở cho tốc độ nằm khoảng giới hạn đề trước 21 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều kiển 3.2.1 Mơ chương trình điều kiển Nhập từ bàn phím giới hạn tốc độ tối thiểu tốc độ tối đa để tốc độ nằm khoảng cho phép hệ thống phát cảnh báo để người điều khiển điều chỉnh Giả sử: Nhập giới hạn tối thiểu: 120 RM Nhập giới hạn tối đa: 300 RMP Hình Giới hạn thị lên lcd Sau nhập xong giới hạn nhấn phím ‘#’ động bắt đầu chạy Khi động chưa đạt giới hạn tối thiều đèn LED báo sáng hình thị cảnh báo “tăng tốc độ!”, người điều kiển vặn biến trở để tăng tốc độ Hình 3 Chưa đạt tốc độ tối thiểu 22 Khi đạt tốc độ tối thiểu đèn LED cảnh báo hình khơng hoạt động Hình Tốc độ nằm khoảng giới hạn Khi tốc độ vượt giới hạn tối đa đèn LED cảnh báo hình hiển thị dịng cảnh báo “giảm tốc độ!”, người điều kiển điều chỉnh biến trở để giảm tốc độ động xuống mức giới hạn cho phép Hình Tốc độ nằm ngồi khoảng giới hạn Link video mô hệ thống phần mềm protues: https://youtu.be/GedFvf0E0c 23 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Theo u cầu tốn đặt ra, ta có lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển hệ thống đo tốc độ động điện chiều sử dụng encoder Hình Lưu đồ thuật tốn 24 KẾT LUẬN Sau trình thiết kế chế tạo mơ hình đo điều khiển tốc độ động encoder tương đối hiển thị tốc độ lên LCD cảnh báo LED tốc độ khoảng giới hạn đặt Mơ hình nhóm cịn yêu cầu chưa đáp ứng được: + Về tốc độ: tốc độ lớn động đạt 600 v/p nên nhóm đặt giới hạn đo :0-600 v/p + Còn yêu cầu khác: đo, điều khiển tốc độ động cơ, hiển thị lên LCD, cảnh báo đèn tốc độ khoảng giới hạn nhóm làm + Nhóm học nguyên lý hoạt động encoder tương đối, động điện chiều, LCD, cách đo tốc độ động encoder Khả phát triển: Có thể áp dụng phương pháp điều khiển kinh điển: PI,PD,PID phương pháp điều khiển thông minh: fuzzy,neural network,… để tăng tính ổn định hệ thống chịu tải tác động bên ngồi Nếu dùng modun có sẵn để tăng tính ổn định thị trường có mạch cầu PID dùng trực tiếp 25 PHỤ LỤC Data sheet: - Vi điều khiển Arduino uno R3: arduino uno r3 datasheet pdf.pdf - Google Drive - Màn hình LCD 20X4: 20x4 LCD datasheet (systronix.com) - Encoder LPD3806-360BM-G5-24C: https://datasheetspdf.com/pdffile/1422931/ORANGE/LPD3806-100BM-G5-24C/1 - Module L298: http://magicduino.com/Images/ItemsMedia/File/5755.pdf Coding: 26 27 28 29 30 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N T H Phạm Văn Huy Vi điều khiển ứng dụng Arduino dành cho người tự học, NXB Bách Khoa Hà Nội [2] Lê Ngọc Duy, Bùi Thanh Lâm Nhữ Qúy Thơ Giáo Trình cảm biến hệ thống đo Hà Nội [3] Vũ Trung Kiên Giáo trình vi điều khiển 32 ... khác: đo, điều khiển tốc độ động cơ, hiển thị lên LCD, cảnh báo đèn tốc độ khoảng giới hạn nhóm làm + Nhóm học nguyên lý hoạt động encoder tương đối, động điện chiều, LCD, cách đo tốc độ động encoder. .. lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển hệ thống đo tốc độ động điện chiều sử dụng encoder Hình Lưu đồ thuật tốn 24 KẾT LUẬN Sau trình thiết kế chế tạo mơ hình đo điều khiển tốc độ động encoder. .. hiệu từ Encoder xử lý tín hiệu gửi thơng tin hiển thị tốc độ động lên LCD so sánh với giới hạn tốc độ nhập từ bàn phím - Khi tốc độ vượt qua giới hạn cho phép đèn LED cảnh báo sáng - Khi tốc độ vượt