Báo Cáo Đồ án Điện Tử ĐIện Hình Thiết kế hệ thống đệm từ trường doc

[Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 1 1 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: Báo Cáo Đồ án Điện Tử ĐIện Hình Thiết kế hệ thống đệm từ trờng GVHD: TS.NGYÊN DUY CƯƠNG SVTH: 1: Nguyễn Tiến Hùng: 01689948823 (hung2020success@gmail.com) 2: Trần Văn Ninh: 0936595818 (tuanninh1989bn@gmail.com) Mục tiêu của đồ án: 1: Tìm hiểu đợc nguyên lý hoạt động của đệm từ trờng. Nó đang đợc ứng dụng ở đâu, u nhợc điểm của hệ thống đệm từ trờng, hớng phát triển trong tơng lai. 2: Thiết kế đợc một hệ thống đệm từ trờng nhỏ, phục vụ cho thí nghiệm, kiểm chứng lại lý thuyết đã tìm hiểu. 3: Hớng phát triển cho tơng lai. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 2 2 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: I : ý tởng thiết kế lên hệ thống đệm từ trờng. Ta đã biết khi đặt hai cực của hai nam châm vĩnh cửu lại gần nhau nếu cùng cực tính thì hai nam châm sẽ đẩy nhau, nếu hai cực tính khác nhau thì chúng sẽ hút nhau. Từ ý tởng đó nếu ta thay một nam cham vĩnh cửu bằng một nam châm điện còn nam châm vĩnh cửu kia vẫn giữ nguyên. Lỳc ny ta iu chnh lc hỳt ca nam chõm in, sao cho nam chõm vnh cu l lng v trớ m ta mun nú nm ti ú. Với phơng pháp trên ta có thể giữ cho một vật nào đó mà ta gắn vào Nam châm vĩnh cửu lơ lửng trên không. Mà không cần phải giữ. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 3 3 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: II : Thiết kế một mô hình đệm từ trờng phục vụ cho việc nghiên cứu và kiểm chứng lại lý thuyết. Để thiết kế đợc một hệ thống đệm từ trờng trớc tiên ta phải có 2 phần tử. 1 : Nam châm vĩnh cửu: Ta sẽ gắn vật cần lơ lửng lên nam châm vĩnh cửu nhờ lực hút giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sẽ làm cho vật đó lơ lửng theo. 2: Nam châm điện: Nam châm điện là phần tạo ra từ trờng và tạo ra một lực hút tác động vào nam châm vĩnh cửu, giữ cho vật cần lơ lửng không bị rơi. Ta cho Nam châm điện và Nam châm vĩnh cửu tơng tác với nhau. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 4 4 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: Sau Khi hoàn thiện và trang trí thêm ta có đợc hệ thống nh bên. Khối Nam Châm Điện + Sensor đặt trên cùng có tác dụng tạo lực hút và xác định vị trí của nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu đợc gắn trực tiếp vào vật cần Lơ Lửng. Mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống đợc đặt bên dới cùng, vừa hạn chế ảnh hởng của từ trờng tới mạch, vừa tận dụng làm đế cho hệ thống luôn. III: Thiết Kế Mạch Điện Thực Hiện Theo Yêu Cầu Đề Ra. Yêu Cầu Của Hệ Thống Là: Vật cần lơ lửng phải đứng yên, lơ lửng trên không mà không câng giữ bằng một vật hoặc dây nào. Nam châm điện và nam châm vĩnh cửu có một khoảng cách gần nh không đổi. 1. ý Tởng Thiết Kế Mạch Điện: Ta tính toán khoảng cách giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sao cho hợp lý, sau đó giữ cho khoảng cách đó không đổi trong quá trình hệ thống hoạt động, nếu nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao hơn so với vị trí ta mong muốn thì tăng lực hút của nam châm điện lên dẫn đến nam châm điện sẽ kéo nam châm vĩnh cửu về vị trí ta đặt. Khi nam châm vĩnh cửu lên cao hơn vị trí độ cao ta mong muốn thì giảm lực hút của nam châm vĩnh cửu đi để nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao xuống vị trí ta mong muốn. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 5 5 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: III.1: Dựa trên báo cáo khoa học của Ph.D James Cicon (1) (BUILD A MAGNETIC BALL LEVITATOR - 1996) Trong báo cáo đó Tiến Sĩ James Cicon có đa ra một hệ thống kín sử dụng PID để điều khiển cho Nam châm điện, sử dụng phản hồi nhờ cảm biến IR. Với sơ đồ cấu trúc nh trên có thể giải thích về nguyên lý hoạt động nh sau. Khối Control Input Ta đặt tín hiệu điều khiển, lợng đặt tại khối này. Khối PID có tác dụng đa ra tín hiệu điều khiển cho Actuator Thiết bị chấp hình (ở đây là Nam Châm điện), và nhận tín hiệu sai lệch phản hồi về từ Sensor điều chỉnh sao cho đầu ra tiến đến lợng đặt. Khối Actuator Là Nam Châm Điện khối này có tác dụng tạo ra từ trờng, tạo ra một lực hút tác động vào Nam Châm vĩnh cửu giúp cho Nam Châm vĩnh cửu giữ đợc vị trí mong muốn. Khối Sensor ở thiết kế của Ph.D James Cicon Ông dùng một cặp thu phát tín hiệu hồng ngoại để phát hiện Vị trí của nam châm vĩnh cửu. Khi Nam Châm vĩnh cửu đạt đến vị trí mà ta đặt thì nó sẽ có tín hiệu phản hồi đa về Khối PID khối này giảm hoặc ngừng đa tín hiệu đến Khối Actuator [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 6 6 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: làm cho Nam Châm vĩnh cửu không tiến đến gần quá so với vị trí cần đặt. Giải Thích Nguyên Lý Hoạt Động Của Sơ Đồ Này: Bắt đầu khởi động hệ thống lên, ta cha đa Nam Châm vĩnh cửu (Có gắn vật cần giữ Lơ Lửng) vào vị trí cần Lơ Lửng. Lúc này không có tín hiệu phản hồi đa về từ Sensor làm cho bộ PID lúc này cấp tín hiệu đến Khối Actuator làm cho nam châm vĩnh cửu hoạt động mạnh nhất và phát ra từ trờng để đợi hút Nam Châm vĩnh cửu vào. Khi ta đa Nam Châm vĩnh cửu vào khu vực cần Lơ Lửng lúc này Nam Châm vĩnh cửu bị Nam Châm điện hút vào gần nó và tiến đến khu vực Lơ Lửng, nếu Nam Châm vĩnh cửu cha tiến đến đúng vị trí đặt thì Sensor vẫn cha đa phản hồi về bộ PID lúc này Nam Châm Điện vẫn đợc cấp điện và tiếp tục hút Nam Châm Vĩnh Cửu về phía nó. Nếu Nam Châm vĩnh cửu đã tiến đến khu vực cần Lơ Lửng hoặc tiến đến gần hơn so với vị trí đặt thì Sensor sẽ đa tín hiệu phản hồi về Khối PID khối này sẽ điều chĩnh tín hiệu đa vào Nam Châm điện làm cho lực hút giảm đi và làm cho nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao xuống sơ với vị trí trơc. Cứ tiếp tục nh thế Nam Châm vĩnh cửu sẽ cân bằng tại vị trí ta cần đặt và ổn định tại đó, kéo theo vật cần Lơ Lửng cũng Lơ Lửng theo. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 7 7 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: III.2: Thiết kế mạch điện tử làm việc theo sơ đồ hệ thống trên. III.2.1: Mạch Nguyên Lý: Mạch gồm các khối sau: - Khối Nguồn: o Điện áp từ biến áp đc đa qua bộ chỉnh lu cầu để chuyển thành điện áp một chiều, và đc lọc bằng 2 tụ điện cho điện áp bằng phẳng hơn và loại thành phần bặc cao đi. Tại đây ta đợc điện áp 30VDC. o 30VDC đa vào IC LM7812 đầu ra ta nhận đc điện áp 12VAC ổn áp để đa vào Sensor. - Khối PID: o Ta sử dụng IC LM358 (Gồm 2 IC khuếch đại thật toán và không cần sử dụng nguồn đối xứng) o Ta kết nối tụ điện, điện trở, biến trở để đợc mạch PID. - Khối Khuếch đại + Cách ly tín hiệu điều khiển với mạch lực: o Ta sử dụng IRF540 để khuếch đại, đóng cắt, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. - Khối Sensor: o Ta sử dụng Sensor A3121 Hall-Effect Sensor. IC này hoạt động dựa vào từ trờng, khi có từ trờng của nam châm vĩnh cửu tác động vào Sensor thì đầu ra Out sẽ xuất một tín hiệu dơng đến bộ PID. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 8 8 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.2.1: M¹ch In (PCB). III.2.3: ThiÕt kÕ phÇn khung vµ s¾p xÕp c¸c khèi sao cho hÖ thèng ho¹t ®éng tèt nhÊt. [Nguyn Tin Hựng - Trn Vn Ninh] K44KT TNUT Page 9 9 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: IV: Hớng Phát Triển Trong Tơng Lai : Hiện nay tại nhật bản họ đã phát triển hệ thống tầu điện sử dụng đệm từ trờng, đệm từ trờng giúp cho tốc độ của tầu đợc tăng lên vì đệm từ trờng hạn chế ma sát giữa tầu và vật khác, với đệm từ trờng nâng tầu lơ lửng trên không khí dẫn đến chỉ còn mỗi ma sát giữa tầu và không khí là làm giảm tốc độ của tầu. Nhờ có đệm từ trờng mà tốc độ của tầu điện có thể 499Km/h (4) và chạy êm hơn, phát ra ít tiếng động hơn tầu bánh xe bình thờng. Sử dụng đệm từ trờng ta không phải quan tâm đến vấn đề bánh xe và thời tiết để tầu hoạt động, ngoài ra đệm từ trờng còn giảm tốc và điều khiển đợc tốt hơn so với tầu bánh xe thông thờng. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 10 10 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Tµi LiÖu Tham Kh¶o: (1) http://www.njit.edu/news/2012/2012-264.php (2) Build a Magnetic Ball Levitator – Ph.D James Cicon – 1996 (3) http://www.coilgun.info/levitation/home.htm (4) http://baodientu.chinhphu.vn/Home/Tau-cao-toc-cong- nghe-dem-tu-truong-moi/201212/155887.vgp . K44KT TNUT Page 1 1 [Thit K H Thng m T Trng] - GVHD: Báo Cáo Đồ án Điện Tử ĐIện Hình Thiết kế hệ thống đệm từ trờng GVHD: TS.NGYÊN DUY CƯƠNG SVTH: 1: Nguyễn Tiến Hùng: 01689948823. của đồ án: 1: Tìm hiểu đợc nguyên lý hoạt động của đệm từ trờng. Nó đang đợc ứng dụng ở đâu, u nhợc điểm của hệ thống đệm từ trờng, hớng phát triển trong tơng lai. 2: Thiết kế đợc một hệ thống. GVHD: II : Thiết kế một mô hình đệm từ trờng phục vụ cho việc nghiên cứu và kiểm chứng lại lý thuyết. Để thiết kế đợc một hệ thống đệm từ trờng trớc tiên ta phải có 2 phần tử.