Phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ

Lời nói đầu Trong các ngành công nghiêp, công tác điều khiển vận hành các thiết bị theo một quy trình nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ một vị trí quan trọng. Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…

Trang 1

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 1

Trang 2

Nhóm 3 –Lớp TĐH 2 K5

Sinh viên thực hành:

1Nguyễn Hồng Hải

2Nghiêm Thị Hằng

3Dương Xuân Hiếu

4Hoàng Văn Hiếu

5Nguyễn Thanh Hiếu(NT)

6Ninh Đắc Huân

7Lê Bá Hùng

8Lê Đình Hùng

9Ngô Quang Hưng

10Cao Xuân Hướng

11Nguyễn Văn Huy

Trang 3

Trong các ngành công nghiêp, công tác điều khiển vận hành các thiết bị theo một quy trình nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ một vị trí quan trọng

Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một

số máy như máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…

Để đo tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp, trong bài tập lớn của mình chúng em xin trình bày đo tốc độ động cơ dùng

encoder- một loại cảm biến dùng để đo số vòng quay của động cơ và gửi về vi điều khiển để trực tiếp điều khiển tốc độ động cơ theo ý muốn

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã giúp

đỡ chúng em và thầy Hà Văn Phương đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng

em làm bài tập lớn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm bài tập lớn, chưa có nhiều kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy, cô và các bạn góp ý và

bổ sung thêm

Trang 4

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Mục Lục

Phần 1:Phân tích công nghệ

Phần 2: Cấu trúc hệ thống

I Sơ đồ khối hệ thống

II Các thiết bị cần dùng

A Khối cảm biến

1 Máy phát tốc

2 Encoder

B Khối xử lí

C Khối hiển thị

III Các thiết bị khác

A Optocouplers

B Động cơ điện một chiều

C Rơ le trung gian

Trang 5

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Trang 6

Phần 1: Phân tích công nghệ

Như chúng ta đã biết trong điều kiện khoa học kỹ thuật và kinh tế phát triển như hiện nay thi quy trình tự động hóa trong công nghiệp và sản xuất hầu như không thể thiếu được Nó đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc giúp tăng năng suất , tăng độ chính xác và do

đó tăng hiệu quả sản xuất Trong đó một vai trò không thể không nhắc đến của qui trình tự động hóa là :”Đo và

điều khiển tốc độ động cơ”

Quy trình này gồm 2 phần đó là:”Đo” và “Điều

khiển”.Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại linh kiện khác nhau ứng dụng cho việc đo và điều khiển động cơ nhưng chủ yếu phần đo vẫn là sử dụng máy phát tốc và encorder và điều khiển dùng vi điều khiển hoặc dùng IC

số Với các loại linh kiện khác nhau thì chúng có ưu,

nhược điểm, giá thành khác nhau Công nghệ sử dụng máy phát xung với độ chính xác hơi kém vì bị ảnh hưởng nhiều bởi sai số của thiết bị đo, điện trở dây dẫn… được sử dụng trong các thiết bị đo không đòi hỏi độ chính xác cao như đo tốc độ xe máy, xe đạp điện… Bên cạnh đó là cảm biến encoder với giá

thành cao được sử dụng trong công nghiệp với độ chính

xác cao

Trang 7

I:Sơ đồ khối hệ thống

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống

Bộ XLTH

Bộ Điều khiển

Motor

Bộ đo lường

Bộ

nhập dữ liệu

Bộ hiển thị

Bộ Nguồn

Trang 8

Chức năng của các bộ phận trong sơ đồ hệ thống

1, B ộ đo lường

Bộ đo lường có tác dụng chuyển tín hiệu của tốc độ động cơ ở dạng không phải điện về dạng điện, có điện áp hoặc tần số … tỉ lệ với tốc độ động cơ

2, Bộ xử lí tín hiệu

Bộ xử lý tín hiệu có tác dụng:

- Thu nhận các tín hiệu phản hồi

-Tiếp nhận các tín hiệu từ người điều khiển

-So sánh tín hiệu chuẩn đó với tín hiệu được đưa

vào của bộ đo lường

-Đưa ra các tín hiệu cho bộ biến đổi năng lượng cấp cho động cơ

- Đưa tín hiệu hiển thị ra LCD hoặc LED 7 thanh

3,Bộ biến đổi

Bộ biến đổi có tác dụng thay đổi các giá trị của

nguồn để cấp cho động cơ như điện áp, dòng diện,tần

số…dưới sự chỉ huy của bộ xử lý

4, B ộ nhập dữ liệu

Bộ nhập dữ liệu bao gồm bàn phím,công tắc, các nút ấn,… hoặc hệ thống mạng công nghiệp,máy tính để con người có thể giao tiếp với hệ thống

Trang 9

7, Bộ nguồn

Bộ nguồn có tác dụng cung cấp điện áp cho bộ điều khiển, bộ xử lí, bộ hiển thị,…điện áp cấp vào có thể là 1 pha,1 chiều, 3 pha,…

II: Các thiết bị cần dùng

A; Khối đo lường (cảm biến)

Hiện nay có 2 loại cảm biến thông dụng dùng để đo tốc độ động cơ là máy phát tốc và encoder với những ứng dụng khác nhau

1 Máy phát tốc

Trang 10

Hình 2: Máy phát tốc

II Encoder

Trang 11

Hình 3 :Encoder

I Máy phát tốc

Nguyên lý hoạt động :Hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Cấu tạo gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng Khi có sự chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng thì trong phần ứng sẽ xuất hiện suất điện động

Trang 12

Hình 4: Sơ đồ máy phát tốc 1 chiều

1, Stator 2, Rotor 3, Cổ góp 4, Chổi quét

Thực chất đây là một máy phát điện một chiều loại nhỏ

2, máy phát tốc xoay chiều

a.máy phát tốc xoay chiều đồng bộ

Là một loại máy phát xoay chiều đồng bộ loại nhỏ

Rotor của máy là một hoặc nhiều nam châm điện

Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành dòng điện

một chiều Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay

và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp Tốc độ quay của động cơ có thể xác định bằng cách đo tần số do tần số

không bị suy giảm khi truyền tải đi xa

Trang 13

Hình 5: Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc xoay chiều

Hình 6:

1, Cuộn kích 2, Rotor 3, Cuộn đo

Cấu tạo của máy pha

2: Encoder

Trang 14

Các hình dạng thực tế của encoder:

Trang 15

Trang 16

1,Khái quát về encoder:

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối và

encoder tương đối

Encoder tuyệt đối: tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng

vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác vị trí của encoder

Còn encoder tương đối, là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ Nếu bây giờ ta đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng khối điều khiển

sẽ nhận được tín hiệu, và chúng ta đã biết đĩa quay một

Trang 17

bị đo đếm lên 1 Do vậy, encoder loại này có tên encoder tương đối (encoder tăng lên 1 đơn vị)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay,

quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không

có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có

lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt

bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không

Trang 18

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ

mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có

nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder

Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động

encoder

Trong hình có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố

định để che khe hẹp ánh sáng đi qua

2, Hoạt động của encoder

a.Encoder tuyệt đối

Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01,

10, 11: tức là 4 trạng thái Điều đó có nghĩa là với 2 chữ

số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính

xác đến 1/4 vòng

Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta

sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2n) vòng

Trang 19

Với đĩa encoder có 2 vòng đĩa.Ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh

nằm đối diện nhau

Như vậy, chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2

vòng lỗ, và 2 đèn thu

Sau đây là ví dụ encoder tuyệt đối 8 vòng lỗ:

Trang 20

Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180 độ, nằm trong cùng Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân)

sẽ thay đổi liên tục mỗi 1/(2)N vòng quay Vì thế, chúng ta cần rất nhiều lỗ Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ

được, vì ở trong bán kính nhỏ hơn Ngoài ra, nếu đặt ở

Trang 21

b.Encoder tương đối

Encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc

quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó,

việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người

dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được

vị trí góc của trục quay

Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không

có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng

quay của trục

Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá

nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của

encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là

không thể thực hiện được Chưa kể rằng việc thiết kế một

dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến

kích thước giới hạn này

Độ chính xác của encoder 12 bit đã là 1/4096

Tuy nhiên, điều này được khắc phục bằng encoder tương

đối một cách khá đơn giản Chính vì vậy, ngày nay, đa số

người ta sử dụng encoder tương đối trong những ứng

dụng hiện đại

* Hoạt động của encoder tương đối

Trang 22

Encoder tương đối, sẽ tăng 1 đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung

Cứ mỗi lần quay qua 1 lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm

Mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy, ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai một xung Đến cuối cùng, có thể động

cơ quay 2 vòng rồi encoder mới đếm được 1 vòng

Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm

một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder

Như vậy, cho dù có lệch xung, encoder đi ngang qua lỗ

định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó Nếu vì một rung động nào đó, mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc

đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của

encoder

Đây là hình encoder có lỗ định vị:

Trang 23

Đây là dạng encoder phổ biến nhất hiện nay

Trang 24

Hình trên là hình xung encoder tương đối.

Khi xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà lúc đó xung B đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định được chiều chuyển động của encoder theo chiều mũi tên màu cam

Nếu xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà xung

B đang ở mức cao, thì chúng ta sẽ biết encoder đang

quay theo chiều màu nâu

B; Khối xử lí

Trang 25

Hình 7:Một số vi xử lí

C: LCD

1, Hình dáng

Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích

thước khác nhau, trên hình 1 là loại LCD thông

dụng

Trang 26

Hình 8 : Hình dáng của loại LCD thông dụng

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp

điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các

chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ

tự và đặt tên như hình 9 :

Hình 9: Sơ đồ chân của LCD

2;Chức năng các chân :

Trang 27

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

/W

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận Khi có 1 xung cho phép của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high

transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7

- 14

D B0 -

DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :

Trang 28

Bảng 1 : Chức năng các chân của LCD

* Ghi chú : Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin

từ LCD thông qua các chân DBx Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa

là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua các chân DBx

3, Nguyên lý hoạt động

-Các chân 1,2,3 là các chân VSS , VDD, VEE trong đó VSS chân nối đất , VEE chân chọn độ tương phản chân này được chọn qua 1 biến trở 5K, một đầu nối VCC , một đầu nối mát Chân VDD nối dương nguồn

- Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có hai thanh

ghi trong LCD, chân RS (Register Select) được dùng để chọn thanh ghi, như sau:

Nếu RS = 0 ở chế độ ghi lệnh như xóa màn hình , bật tắt con trỏ

Nếu RS =1 ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị ký tự , chữ số lên màn hình

-Chân đọc/ ghi (R/W): Đầu vào đọc/ ghi cho phép người dùng

+ 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 tới DB7, bit MSB là DB7

Trang 29

liệu thì cần có 1 xung từ mức cao xuống mức thấp ở chân này

để LCD chốt dữ liệu , xung này phải có độ rộng tối thiểu 450ns

Chân D0 - D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị các chữ cái và các con số chúng ta gửi các

mã ASCII của các chữ cái và các con số tương ứng đến các chân này khi bật RS =1;

4, Bảng mã lệnh trong LCD 16x2 :

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	3,29 MB