Nghiên cứu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động dùng cho đào tạo

Chính vìvậy mà từ khi ra đời cho tời nay cửa tự động đã không ngừng được cải tiến ,hiệnđại hóa để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.Nhìn chung cửa tự động là một loại thiết bị thay thế c

LỜI CAM ĐOAN!

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “ Nghiên cứu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động dùng cho đào tạo ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của Thầy Lưu Đức Dũng Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với mô hình cửa

tự động

Để hoàn thành bản đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đã được nghi trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài liệu nào khác Nếu phát hiện ra sự sao chép em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên

NGUYỄN THỊ VIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, trong xã hội hiện đại của chúng ta bắt gặp rất nhiều loại cửa đóng mở tự động ở những nơi công cộng Việc sử dụng các loại cửa tự động không những góp phần tăng sự sang trọng và hiện đại cho nơi sử dụng mà còn giúp tiết kiệm thời gian, đem đến sự tiện lợi cho những người qua lại Chính vì vậy mà từ khi ra đời cho tời nay cửa tự động đã không ngừng được cải tiến ,hiện đại hóa để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

Nhìn chung cửa tự động là một loại thiết bị thay thế cho các loại cửa thông thường, nó có chức năng tự động cảm nhận đối vời người qua lại, tự động mở ra khi có người cần đi qua và tự động đóng lại khi không còn người qua lại.

Ưu điểm chính của loại cửa này là nò hoàn toàn tự động không cần sự điều khiển của con người, nó có thể hoạt động liên tục, chính xác 24/24 giờ mỗi ngày Việc sử dụng các loại cửa tự động đã trở thành một nhu cầu gần như không thể thiếu tại những nơi công cộng như khách sạn, nhà ga, sân bay, siêu thị

Với những ưu điểm như vậy các loại cửa tự động đang được sử dụng ngày càng rộng rãi Tuy nhiên trên thị trường trong nước hiện nay các loại cửa tự động đang dùng đa phần vẫn được nhập từ nước ngoài Mặc dù đội ngũ nhân lực

tự động hóa trong nước khá lớn song sản phẩm cửa tự động mang thương hiệu Việt Nam gần như rất ít Với phương châm cung cấp đến các học sinh, sinh viên chuyên ngành tự động hóa một thiết bị thực hành để làm quen với việc điều khiển cửa tự động nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp

là : “Tìm hiểu, thiết kế mô hình cửa tự động dùng cho đào tạo” nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau:

- Tổng quan về cửa đóng mở tự động

- Thiết bị điện trong mô hình cửa tự động.

- Tìm hiểu thiết kế mô hình

- Lập trình điều khiển PLC

Chúng em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy Lưu Đức Dũng cùng các thầy cô giáo trong Ngành Tự Động Hóa thuộc trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

đã giúp đỡ chúng em thực hiện đề tài này Do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế còn chưa tốt nên đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy để chúng em có thể rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn cho bản thân cũng như cho

đồ án này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG

1.1 TÌM HIỂU VỀ CỬA TỰ ĐỘNG.

Ngày nay trong xã hội hiện đại chúng ta bắt gặp rất nhiều các loại cửa đống mở tựđộng ở những nơi công cộng Việc sử dụng các loại của tự động góp phần làm tăng sựsang trọng và hiện đại cho những công trình sử dụng, giúp tiết kiệm thời gian đem đến sựtiện lợi cho người qua lại Chính vì vậy từ khi ra đời của tự động không ngừng được cảitiến, hiện nay trên thị truờng xuất hiện cửa tự động với nhiều chủng loại rất đa dạng phongphú để dáp ứng nhu cầu người sử dụng Các loại cửa hiện có mặt trên thị truờng

1.1.1 Cửa trượt tự động – Automatic sliding door.

Hình 1.1.Cửa trượt tự động

Ai cũng có thể nhận ra lợi thế của những cánh cửa trượt trong thiết kế không giansinh hoạt đô thị ngày nay Đầu tiên là việc tiết kiệm diện tích Sau nữa là vẻ thanh lịch

mà thiết kế này mang đến cho từng không gian

Những cánh cửa trượt luôn được xem là một giải pháp gắn với tinh thần tiết kiệmdiện tích trong thiết kế nội thất Tiết kiệm diện tích là một ưu thế, còn một điểm mạnhkhác khiến cửa trượt là lựa chọn cho những không gian hiện đại chính là vẻ đẹp đơngiản đến mức tối đa – một phong cách của thiết kế tối giản (minimalism) mà ngày nay

đã được đẩy lên thành trào lưu của thiết kế đương đại

Kết hợp với những hỗ trợ về kỹ thuật tiên tiến như bánh xe, hệ thống ray trượt caocấp, thậm chí cả điều khiển tự động vận hành bằng hệ thống điều khiển từ xa hay mắtđiện tử thông minh, những cánh cửa trượt càng trở nên tuyệt vời hơn nữa

Về mặt nguyên lí, một khi được kéo ra thì các cánh cửa trượt gần như mất dạngvào các mảng tường, điều này mở ra một cơ hội đối thoại gần như hoàn hảo giữa cáckhông gian Vì thế, ngoài chức năng đóng –mở, hệ thống cửa trượt còn là hệ ngăn cáchthật linh hoạt giữa các không gian với nhau, hay giữa không gian bên trong nội thất

với thiên nhiên bên và môi trường bên ngoài.Như vậy ngoài tính năng linh động, cửatrượt cũng góp phần mang lại cảm giác cho một không gian hiện đại.

Những cánh cửa trượt hiện đại không chỉ đóng khung trong chất liệu gỗ truyềnthống mà chỉ mở rộng với khung kim loại cao cấp hay nhựa tổng hợp, mà tiêu chí đầutiên là phải nhẹ và bền Với chất liệu ấy, cửa trượt có thể sử dụng ở rất nhiều nơi trongkhông gian nội thất, từ phòng khách đến phòng ngủ, cả buồng tắm, nhà bếp

Cửa trượt là một lựa chọn đầy ưu thế Các thiết bị được sử dụng trong loại cửa này bao gồm :

1.1.1.1 Motor ( DC Brushless Motor )

Được thiết kế và sản xuất tại Nhật, đây là loại môtơ điện một chiều không sử dụngchổi than cho phép cửa hoạt động với tần suất cao mà không bị nóng Với momentxoắn lớn cộng với hệ thống gá được chế tạo đặc biệt giúp cho sự vận hành của cửa hếtsức nhẹ nhàng không bị rung Tải trọng tối đa cho 2 cánh cửa lên tới 240 kg hoặc 150

kg cho cửa một cánh

Hình 1.2 Bộ điều khiển và giá đỡ của cửa trượt tự động

Hình 1.3 Bộ điều khiển trung tâm và ray

1.1.1.2.Bộ điều khiển ( MICOM Controller)

Sử dụng Micro computer, lập trình hệ thống cho phép đảm bảo nhiều chức năngđóng – mở, có thể kết kết hợp với các thiết bị khác như đầu đọc thẻ, khóa điện, sesonr

an toàn đảm bảo độ an toàn cao và an ninh cao Trong khi cửa đang mở hoặc đóng ,nếu gặp chướng ngại vật cửa sẽ dừng lại, đổi chiều và sau đó sẽ từ từ đóng lại hoặc mở

ra Nếu sau ba lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên ở vị trí mở và hoạt động trở lại khi

có tín hiệu từ mắt thần (sensor)

1.1.1.3 Mắt cảm biến (SENSOR).

Cho phép cửa có tầm quét xa , nhạy và liên tục Giúp cho cửa giữ nguyên mởnếu có người hoặc vật cản nằm trong vùng hoạt động của cửa

1.1.1.4 Hộp kỹ thuật ( RAIL BASE)

Được chế tạo từ hợp kim nhôm với độ cứng cao giúp cho khung cửa chắc khỏe

và đặc biệt không bị mài mòn trong quá trình sử dụng

1.1.1.5 Hệ thống bảo vệ cách nhiệt tiêu chuẩn

Ngăn ngừa việc phá hỏng bộ điều khiển và motor Khi tải vượt quá mức, tín hiệu

sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh giảm tốc độ cũng như thờigian vận hành xuống và cửa vẫn hoạt động ở cường độ thấp Nếu không tiếp tục có sựquá tải , cửa sẽ trở lại hoạt động bình thường, tốc độ hoạt động của cửa lại phục hồi Tuy nhiên , khi quá tải lại tiếp tục , cửa sẽ dừng hoạt động để bảo vệ động cơ

1.1.1.6 Chế độ làm việc

Tự động : Cửa tự động đóng khi không có người , mở khi có người qua lại

Mở thường trực : Cửa lúc nào cũng mở

Mở một chiều : Dành cho các cửa hàng , siêu thị Ở chế độ này chỉ cho phép người diqua một chiều nhất định (đi ra hoặc đi vào)

Chế độ đóng cửa vào ban đêm và mở cửa lại vào sáng hôm sau : Cho phép đặt chế độđóng cửa vào ban đêm , và mở cửa lại vào sáng hôm sau Giờ đóng, mở cửa do ngườiđiều khiển tự cài đặt Ngoài ra còn có chế độ khóa cửa theo yêu cầu sử dụng , khi đó

hệ truyền động bị khóa nên người khác không thể mở cửa

Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động

Hình 1.4 Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động

1.1.2 Cửa mở cánh tự động – Automatic swing door.

Hình 1.5 Cửa mở cánh tự động

Dựa trên sự phát triển của các loại cửa mở cánh sử dụng bản lề sàn thông thường ,cửa mở cánh tự động thực sự tạo nên một phong cách mới cho công nghệ sản xuất cửa

tự động đó là : Hiện đại và tiện lợi

Khi không có chỗ để lắp ray cửa trượt thì giải pháp cửa mở cánh tự động là giảipháp tối ưu, người sử dụng hoàn toàn không còn phải bận tâm về chiều rộng của nơilắp đặt Khi có người vào, thì cửa sẽ tự động mở vào phía trong và ngược lại

Mỗi khi gặp vật cản, cửa sẽ tự động đảo chiều Đặc biệt, với hai cảm biến an toàn(Safety Beam Seor) gắn ngay trên cửa sẽ tránh được va chạm người hoặc đồ vật trongphạm vi hoạt động của cửa

Toàn bộ Bộ điều khiển, Môtơ của cửa đều nằm gọn trong hộp kỹ thuật kích thướcnhỏ gọn ngay trên khung cửa nên có thể lắp cho cửa nhôm kính, cửa gỗ hoặc thậm chí

cả cửa thép

Đẩy cửa:

Kéo cửa:

Hình 1.6 Giá đỡ cửa mở cánh tự động

Thông số kĩ thuật cửa mở cánh tự động

Hình 1.7 Thông số kỹ thuật cửa mở cánh tự động

1.1.3 Cửa mở trượt gấp tự động – Automatic folding door.

Hình 1.8 Cửa mở trượt gấp tự động Cửa mở trượt gấp được sử dụng rất hiệu quả với những công trình có lưu lượngngười qua lại lớn hoặc cần có độ mở thông thủy lớn nhất Cửa mở trượt gấp không chỉphù hợp với các showroom, siêu thị, garage ô tô mà còn được sử dụng rộng rãi trongcác nhà máy, phòng thí nghiệm, …

Hình 1.9 Mặt cắt theo chiều dọc giá đỡ và mặt bên ngoài của cửa

Thông số kỹ thuật cửa mở trượt gấp tự động:

Động cơ điện 1 chiều không chổi than

Hình1.10.Thông số kỹ thuật cửa trượt gấp tự động

1.1.4 Cửa trượt xếp lớp tự động – Automatic telescopic door.

Hình 1.11 Cửa trượt xếp lớp tự động

Cửa trượt xếp lớp dựa trên nguyên lý hoạt động của cửa trượt thông thường đượcthiết kế lại bộ gá, dây curoa phụ…Thay vì chỉ có hai cánh trượt sang hai bên như cácloại cửa trượt thông thường, cửa trượt xếp có đến 4 cánh trượt sang hai bên Sử dụngcửa trượt xếp sẽ làm cho cửa có độ mở thông thoáng lên tới 75% so với 50% của cửatrượt thông thường Cửa trượt xếp được sử dụng rất hiệu quả và thực sự phù hợp vớinhững công trình đòi hỏi chỉ lắp cửa trượt theo yêu cầu độ mở thông thủy lớn hơnhoặc có lưu lượng người qua lại lớn Cửa trượt xếp không chỉ phù hợp với cácshowroom, siêu thị, garage ô tô mà còn được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy,phòng thí nghiệm …

1 0

Hình 1.12 Bộ điều khiển và gá đỡ của cửa trượt xếp lớp

Động cơ, được cải tiến thông qua động cơ điện một chiều không chổi than, sựchuyển động của các bánh răng

Cấu trúc bộ gá con lăn, bộ gá hợp kim và sử dụng hai con lăn hợp kim bọc một hợpchất nhựa luôn giữ cho cánh cửa vững chắc cân bằng, chống mọi trường hợp xô lậtcánh và giúp cho cửa vận hành êm hơn

Khi tải vượt quá mức, tín hiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điềuchỉnh giảm tốc độ cũng như thờ gian vận hành xuống và cửa vẫn hoạt động ở cường

độ thấp Nếu không tiếp tục có sự quá tải, cửa sẽ trở lại hoạt động bình thường, tốc độhoạt động của cửa lại tự phục hồi Tuy nhiên, khi sự quá tải lại tiếp tục, cửa sẽ dừng lại

để bảo vệ động cơ

Mắt cảm biến an toàn, giúp cho cửa giữ nguyên mở nếu có người hoặc vật nằmtrong vùng hoạt động của cửa

Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động

Hình 1.13.Thông số kỹ thuật cửa trượt gấp tự động

1.1.5 Cửa trượt cánh cong tự động – Automatic circle sliding door.

Hình 1.14 Cửa trượt cánh cong tự động

Ray của cửa trượt vòm cong.

Hình 1.15.Ray của cửa trượt cánh cong tự động

Thật là đẹp với một công trình sử dụng cửa cong tự động Dường như có một sựcách điệu từ cửa trượt và cửa mở cánh thông thường để tạo nên sự khác biệt của cửacong tự đó là sự mềm mại và tính tiện dụng

Chỉ cần kết hợp 2 bộ cửa cong, chúng ta đã có một hệ thống cửa tự động liên hoànkhép kín gọi là: Phòng ngăn gió Nó thực sự thích hợp với những công trình sử dụngđiều hòa không khí trung tâm hoặc muốn ngăn chặn tối đa bụi và gió từ bên ngoài Thông số kỹ thuật cửa trượt cánh cong tự động

Hình 1.16.Thông số kỹ thuật cửa trượt cánh cong

1.1.6 Cửa xoay tự động – Automatic revolving door.

Hình 1.17.Cửa xoay tự động Với nét kiến trúc khác biệt, cửa xoay tự động được dùng tại các ngân hàng, kháchsạn, những tòa nhà có lưu lượng người qua lại lớn, tốc độ lưu thông cao nhưng vẫn bảođảm độ an toàn Giữ nhiệt, tránh gió, bụi, tránh được nguy cơ gió đập…

Cửa có thể làm việc tự động hoàn toàn,hoặc bán tự động (có sự trợ giúp của động

cơ điện để mở cửa) và báng tay (dùng lực của người để đẩy cửa)

1 2

Cửa được gắn mắt thần cảm biến, khi có người ra vào, cửa tự động hoạt động, bìnhthường cửa sẽ dừng lại để tiết kiệm năng lượng Cảm biến cũng sẽ đảm bảo an toàncho người đi qua vì khi vướng hành lý hoặc người đi vào buồng cửa dùng lại thì cửacũng sẽ dừng lại

Khung cửa được làm bằng nhôm hợp kim nên bền đẹp và nhẹ

Mô tả thiết bị:

- 2 radar phát hiện chuyển động lắp phía trong và phía ngoài, tín hiệu radio

- 2 sensor phát hiện vật cản lắp trong và ngoài, chếch lối đi bên phải, tránh kẹt

- 2 sensor phát hiện va chạm lắp dọc hai vách cong, chếch lối đi bên phải

- 3 sensorphats hiện va chạm lắp dưới 3 cánh xoay

- 1 hộp điều khiển nút bấm điều khiển có 5 chế độ

- 1 khóa key switch để dùng khóa xích

Hình 1.18 Cơ cấu quay của cửa cánh cong tự động

Một số tiêu chuẩn

Hình 1.19 Tiêu chuẩn của cửa cánh cong tự động

Motor của cửa cuốn tự động dùng điện áp 24v DC sẽ không gây nguy hiểm cho người

sử dụng Khi đóng cửa, hệ thống motor sẽ tự động khóa bộ ly hợp, khi chốt ly hợp bịmở/gẫy (do kẻ gian) thì còi báo động sẽ được kích hoatjvaf thông báo có đột nhập.Công nghệ khóa Advanced Rolling Code và hàng tỉ mã số được tạo ra nhằm ngănngừa hoàn toàn khả năng copy mã số mở cửa của kẻ gian Trong nhưng trường hợpkhẩn cấp có thể mở cửa bằng tay nhanh chóng bằng “dây rút chốt hãm”

Hình 1.21 Motor cửa cuốn

1 4

Có thể đóng mở cửa một cách dễ dàng và thuận tiện trong khoảng cách 50m vàtrong mọi điều kiện thời tiết nhờ bộ điều khiển từ xa

Hình 1.22 Điều khiển sóng rađiôTrong trường hợp mất điện vẫn mở được cửa nhờ bộ lưu điện (UBS), có khả nănglưu điện để sử dụng trong vài ngày

Hình 1.23 Bộ lưu điện

Hệ thống cao su giảm chấn dưới đáy ngăn không cho nước và bụi đi vào nhà

Hình 1.24 Trục cuốn motorRay cửa giúp cố định vị trí cửa, giúp cửa vận hành êm nhẹ

a) Ray dẫn hướng b) Ray di động

Hình 1.25 Các loại ray

Công tắc Remote Tubular motor Nắp thư

Chốt cài ray di động Hộp inox Công tắc Khóa ngang

Hình 1.26 Các phụ kiện của cửa cuốn tự động

1.1.8 Cửa nâng garage.

Cửa nâng garage đem lại cho kháchhành một sự lựa chọn hoàn hảo cho các côngtrình đòi hỏi chất lượng cao và kiến trúc độcđáo

Cửa garage nâng loại một tấm và nhiềutấm đều có những ưu điểm riêng nên loại cửanày thích hợp cho nhiều công trình khác nhautại nhiều nước trên thế giới

Cửa được thiết kế với kĩ thuật cao, mẫu

mã hiện đại cho các công trình kiến trúc đadạng

Cửa có thể sản xuất bằng gỗ, thép, inox

Hình 1.27 Cửa nâng garage

1.2 CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN CỬA

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cửa tự động, nhưng công nghệ logicđiều khiển cửa không khác biệt với nhau nhiều

Các cửa tự động đều có các cảm biến gắn bên trong và bên ngoài phát hiện người đitới, các cảm biến nhận biết vị trí cần giảm tốc, các cảm biến báo cần ngát điện động cơ Khi có người đi vào (hoặc có người đi ra), cảm biến bên ngoài cửa (cảm biến bêntrong cửa) phát hiện , truyền tín hiệu về bộ điều khiển Bộ điều khiển ra tín hiệu khởiđộng động cơ mở cửa Động cơ được điều khiển ở nhiều cấp tốc độ, khi bắt đầu mởcửa, động cơ chạy nhanh sau đó chạy chậm daanfvaf dừng lại cửa được mở hoàn toàn.Khi có người đi qua, cửa bắt đầu đóng, động cơ chạy nhanh sau đó chạy chậm dần vàdừng lại, cửa được đóng hoàn toàn Việc giảm tốc độ cuối mỗi hành trình đóng mở cửalàm giảm động năng của cửa giúp dừng chính xác cánh cửa và không gây ra va chạm

1 6

Tốc độ mở cửa có thể nhanh hơn tốc độ đóng cửa để không gây cảm giác nguy hiểmkhi nhìn vào

Khi cửa đang đóng lại mà có người đi tới (đi ra hoặc đi vào) cửa sẽ mở ra, tùy theo

vị trí của cửa lúc đó mà cửa sẽ mở nhanh hay chậm Nếu cửa đang ở vị trí trong hànhtrình mở nhanh thì cửa sẽ mở nhanh sau đó đóng chậm dần và dừng lại Nếu cửa đang

ở vị trí trong hành trình mở chậm thì cửa sẽ mở chậm sau đó dừng lại.Khi cửa đã đónghoặc mở động cơ truyền động phải ngắt điện

Để đề phòng trường hợp có người đi qua mặt cửa nhưng không đi vào hoặc đi ra

mà cửa vẫn mở thì cảm biến sẽ được đặt để có thể nhận biết được người ở một khoảncách đủ xa, bộ điều khiển cũng được đặt thời gian để sau khoảng thời gian đó nếu vẫnthấy cảm biến liên tục báo có người tới thì mới ra tín hiệu mở cửa còn nếu như người

đó chỉ đi ngang qua cửa trong một thời gian ngắn thì cửa sẽ không mở ra

Khi có đông người qua lại ( ví dụ như đầu hoặc cuối giờ làm việc), cảm biến ra tínhiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh để cửa hoạt động ở chế

độ mở thường trực cho mọi người ra vào Nếu lượng người qua lại không còn đôngnữa, cảm biến sẽ báo để bộ điều khiển trung tâm đưa cửa sẽ trở lại chế độ bình thường,tốc độ hoạt động của cửa lại tự động phục hồi

Cảm biến cũng sẽ đảm bảo an toàn cho người đi qua Khi có người hoặc hành lýgiữa hai cánh cửa thì cửa lại mở ra Nếu sau 3 lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên vị trí

mở và sẽ đóng trở lại khi có tín hiệu từ cảm biến báo không có vật

Trường hợp cửa bị khẹt do vướng phải chướng ngại vật trên thanh ray, dây curoahoặc kẹt trục động cơ thì để đảm bảo an toàn cửa sẽ mở hết hoặc bộ điều khiển sẽ cắtđiện cho động cơ và cửa dừng lại tại vị trí xảy ra sự cố, đồng thời ra tín hiệu báo chongười điều khiển để khắc phục sự cố

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG MÔ HÌNH CỬA TỰ ĐỘNG

Các thiết bị thường dùng trong mô hình cửa tự động:

+ Rơ le thời gian

+ Rơ le trung gian

Động cơ:

Động cơ một chiều:

+ Động cơ một chiều có chổi than

+ Động cơ một chiều không chổi than

Động cơ điện xoay chiều:

+ Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha

+ Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 1 pha

Động cơ bước:

+ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

+ Động cơ bước điện từ trở

2.1 THIẾT BỊ CẢM BIẾN

2.1.1 Cảm biến phát hiện người qua cửa.

Cảm biến là thiết bị tiếp nhận thông tin thay đổi từ môi trường bên ngoài và biếnđổi thành các đại lượng điện để điều khiển các thiết bị khác Cảm biến là một trong bathành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểmtra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tắc động củacác phần tử khác Cảm biế thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra

Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất

và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau

2.2 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN.

2.2.1 Cảm biến tiếp xúc.

- Gắn trực tiếp lên đại lượng cần đo và tín hiệu phát ra của chúng có thể một đạilượng vật lý có tương quan tỷ lệ với đại lượng đo

2.2.2 Các loại cảm biến không tiếp xúc.

+ Cảm biến điện từ đo khoảng cách, phát hiện vật thể

+ Cảm biến điện dung

+ Cảm biến quang học đo khoảng cách phát hiện sự hiện diện

1 8 Nguồn sáng

có hạn chế về tầm hoạt động với khoảng cách tối đa là 100m Các kỹ thuật tiếp cậndựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và sử dụng rộng lớn vàđược sử dụng rộng rãi trong thực tế

Cảm biến tiếp cận quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang Đối tượngcần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng là cảm biến tác động Người ta thường bố trí cảmbiến tiếp cận quang học như dưới đây

+ Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát:

Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia Ưu điểm và nhược điểm của cách bố trínày là:

- Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến

- Khó chỉnh thẳng hàng giữa cảm biến và nguồn sáng

- Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia cần

có thấu kính để thu hẹp chùm tia

Hình 2.1 Phát hiện đối tượng nhờ ánh sáng phản chíếu khuếch tán

2.3.2 Cảm biến hồng ngoại

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại RK210PTHồng ngoại là loại tia có bản chất sóng điện từ nằm ngoài cùng ánh sáng có thểnhìn thấy có bước sóng lớn hơn bước sáng của tia đỏ ( 760> גμm).Sóng hồng ngoạim).Sóng hồng ngoạiđược tạo ra dễ dàng bằng cách tạo dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng

Do đó hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Tia hồng ngoại với bản chấtsóng điện từ nên có thể phản xạ khi gặp bề mặt vật thể Ta có thể ứng dụng đặc điểmnày để phát hiện vật thể, cảm biến hồng ngoại sẽ phát xạ ra các tia hồng ngoại, sau đódựa trên tín hiệu phản xạ về thì nó sẽ phân tích xem có chuyển động hay không Cònđối với các cơ thể sống, không hoạt động trong vùng phát xạ, thì nó vãn phát hiệnđược sự xuất hiện của cơ thể sống, vì các cơ thể cũng tự bức xạ nhiệt,và cảm biến cũngthu được các bực xạ này Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên nguyên lí thuphát hồng ngoại người ta bố trí các diode và sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theomột số cách sau:

- Bố trí cạnh nhau

Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát ra khi gặp bề mặt vật cản sẽphản xạ lại Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu phản xạnày

-Bố trí đối diện:

Trong cách bố trí này, khi không có vật chắn, tia hồng ngoại từ diode phát luôn tới

và được sensor thu Khi có vật chắn, tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà phản xạ lại

do đó không tới được sensor thu

Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do đó có khả năngchống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường , do đó có thể mang thông tin mã hóa.Thiết bị thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ Với những ưuđiểm trên hồng ngoại được lựa chọn như một giải pháp tối ưu trong việc thiết kế mạchphát hiện vật thể cho cửa tự động

PIR ( Pasive Infraed) KC7786.

KC7786 là thiết bị cảm biến cỡ nhỏ được cấu tạo bởi bộ khuếch đại và chuyểnmạch logic Phần trung tâm của thiết bị là bộ điều chỉnh KC778B có độ tin cậy cao Khả năng phát hiện sự di chuyển của người từ khoảng cách 5m

Nó cũng rất thích hợp với những hệ thống cảnh báo chống trộm, chiếu sáng…

Hình 2.3 Cảm biến hồng ngoại KC7786

2 0

Bộ điều khiển cảm biến:

Hình 2.4 Bộ điều khiển cảm biến

Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong cửa tự động dùng để nhận biết có ngườiđang đi tới để mở cửa kịp thời khi có người đi tới và đóng cửa kịp thời khi

không còn người đi qua

Hình 2.5 Vị trí gắn cảm biến trên cửa tự động

2.3.3 Cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phátsóng siêu âm

Sơ đồ cấu tạo:

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo cảm biến siêu âm

Thời gian hoạt động - Thời gian hồi đáp,đưa tín hiệu điều khiển

- Biến quang phát xạ

- Biến quang soi thấu

Ứng dụng:

- Nhận biết vị trí của chi tiết trong máy CNC

- Cảm biến màu sản phẩm hóa thực phẩm

- Cảm biến lùi định vị khoảng cách các vật đối với ô tô, để đảm bảo an toàn

- Cảm biến định vị trí trục khuỷu, bướm ga, chân ga để nâng cao hiệu suất, tínhtoán lượng nhiên liệu được đốt trong động cơ đốt trong

- Đếm sản phẩm trong dây chuyền …

Hình ảnh và thông số kỹ thuật của một vài cảm biến quang :

Hình 2.8 Cảm biến quang phát xạ

2 2

Hình 2.9 Cảm biến quang điện

- Hành trình có thể tịnh tiến hoặc quay

- Người ta có thể sử dụng công tắc hành trình vào các mục đích như:

+ Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn cà tác động vào công tắc

sẽ làm tắt nguồn cung cấp cho cơ cấu nên nó không vượt qua vị trí giới hạn ).+ Hành trình tự động : Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơcấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động hoặc tácđộng trực tiếp đến cơ cấu đó

Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động

Hình 2.13 Encoder kiểu quay.

Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà ta có hai kiểu Encoder : thẳng và quay

- Nguyên lí hoạt động hoàn toàn giống nhau nhưng Encoder thẳng có điểm khác

cơ bản với Encoder quay là chiều dài của Encoder phải bằng tổng chiều dàichuyển động tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo bằng chiều dài thước

- Encoder quay chỉ là một đĩa nhỏ và kích thước của encoder quay không phụ thuộcvào khoảng cách đo, do đó kích thước của nó nhỏ gọn hơn so với loại thẳng

- Encoder quay có thể dùng để đo cả hai thông số là dịch chuyển và tốc độ

- Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từmột dộng cơ ( động cơ bước, động cơ một chiều và động cơ xoay chiều ) qua vít

me, đai ốc, bi tới bàn máy, có thể nhờ Encoder lắp trong cụm truyền dẫn

2.6 PHÂN LOẠI ENCODER.

2.6.1 Encoder tuyệt đối.

Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau ; nguồn sáng, đĩa mã hóa và cácphotosensor

Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt Mặt đĩa được chia thành các góc đềunhau và các đường tròn đồng tâm Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn cácgóc hình thành các phân tố diện tích Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởihai vòng tròn đồng tâm gọi là dải băng Số dải băng trên đĩa tùy thuộc khả năng côngnghệ Công nghệ ngày nay cho phép chia đĩa mã hóa lớn nhất là dải Trên các đĩa băng,các diện tích phân tố, có phân tố để trong suốt ( ánh sáng có thể xuyên qua được ) vàcũng có phân tố được phủ một lớp mà ánh sáng không thể xuyên qua được Sự trongsuốt đặc trưng tính của các phân tố

Hình 2.14 Đĩa quang

2 4

a Nguyên lý hoạt động của Encoder tuyệt đối:

Đĩa mã hóa được lắp trên trục, đối diện qua đĩa mã hoá bên trái ta bố trí nguồn sáng(đèn Led ), phía bên kia của đĩa ( bên phải )ta bố trí các photosensor, khuyếch đại vàTrigger Smiths

Tương ứng với mỗi dải băng ta lắp nguồn sáng Nguồn sáng và các photosensorđược lắp cố định Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hoá, nếu đối diện vớitia sáng là diện tích phân tố trong suốt, ánh sáng truyền qua đĩa tới photosensor làmxuất hiện dòng chạy qua photosensor

Nếu đối diện với tia sáng là phân tố bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không tới đượcphotosensor và trong photosensor không có dòng điện chạy qua Dòng ra củaphotosensor nhỏ vì vậy mà ta đưa ra bộ khuyếch đại, khuyếch đại đủ lớn để đưa đếntầng tiếp theo

Do qua trình quay đĩa mã hoá , cường độ ánh sáng tăng từ nhỏ dến cực đại ( tiasáng xuyên qua hoàn toàn) và tiếp theo giảm dần đến khi tia sáng bị chặn , dòng trongphotosensor bằng không Vì vậy để có xung ra là xung vuông ta cho tín hiệu qua mạchsửa dạng xung Trigger Smiths

Gọi số góc trên đĩa là S và số dải là a, quan hệ giữa số góc và số dải đựoc biểu diễnqua công thức:

S = 2a (2.1)

Trong đó: a là số nguyên dương tuyệt đối

Giá trị góc chia trên đĩa mã hoá α được tính theo công thức

α = 3600/ S (2.2)

Hình 2.15 Các thành phần cơ bản của Encoder

2 6

Gồm có nguồn sáng ( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn), thấu kính, thước

cố dịnh , đĩa phát xung, photosensor và mạch điện

Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt trên có một hoặc hai dải băng (dảibăng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dày giống nhau)

Một trong hai dải băng trên đĩa làm nhiệm vụ phát xung, dải băng còn lại để xácđịnh góc quay không quy chiếu Đĩa phát xung đựoc lắp trên trục và chuyển động quaycùng trục

Đĩa thứơc ( thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh xẻ thứ năm bốtrí trên hàng riêng và thước được cố định trên vỏ cùng phía với photosensor.Tươngứng với năm rãnh cố định ta lắp năm photosensor , photosensor cũng được lắp cố địnhvới Encoder

Thấu kính làm nhiệm vụ biến đổi đường đi của các tia sáng thành các tia sáng songsong

Hình 2.17 Encoder gia số kiểu quay.

b.Encoder gia số kiểu thẳng:

Encoder gia số kiểu thẳng cũng có những thành phần như Encoder gia số kiểu quaynhưng chỉ khác là thước động là thước thẳng

Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động của Encoder kiểu gia số Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống Encoder kiểu quay:

Encoder gia số kiểu thẳng gồm có nguồn sáng ( trong kết cấu này nguồn sáng làbóng đèn ), thấu kính, đĩa thước cố định, đĩa phát xung, photosensor và mạch điện Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt, trên có một hoặc hai dải băng(dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dày giống nhau)

Một trong hai dải băng trên đĩa làm nhiện vụ phát xung, dải băng còn lại để xácđịnh góc không quy chiếu Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyền động quay cùngtrục

Đĩa thước (thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh thứ năm bố trítrên hàng riêng và thước được cố định trên vỏ cùng phía với photosensor

Ưu nhược điểm của encoder gia số

*Ưu điểm.

Đơn giản và rẻ tiền

Không cần mạch giải mã và không cần bộ đếm

Tốc độ có thể chọn ở bất kì thời điểm nào

*Nhược điểm.

Không đo được vị trí tuyệt đối do sự thay đổi gia số

Rất nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài

Ngắt nguồn điện sẽ làm mất gốc 0, muốn đo được phải xác định lại

2 8

- Phải có thêm mạch giải mã và đếm

Với những ưu nhược điểm của các loại Encoder nêu trên , ta nên chọn loại Encodertương đối 100xung/vòng quay, điện áp đầu vào là 5V, xung ra có điện áp là 5V

2.7 THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ ĐIỀU KHIỂN.

2.7.1 Khái niệm chung về rơle.

Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tínhiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạchđiện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực

2.7.2 Các bộ phận (các khối )chính của rơle.

a Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu):

Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cầnthiết cung cấp tín hiệu dầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tinhiệu phù hợp cho khối không gian

b Cơ cấu trung gian (khối trung gian).

Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nóthành đại lượng cần thiết cho rơle tác động

c.Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành):

Làm nhiệm vụ phát tin hiệu cho mạch điều khiển

Hình 2.20.Sơ đồ khối của rơle điện từ Các khối trong rơle điện từ (hình 2.20)

+ Cơ cấu tiếp thu ở đây là cuộn dây

+ Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện

+ Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm

2.7.3 Phân loại rơ le.

Có nhiều loại rơle với nguyên lý và chức năng làm việc rất khác nhau Do vậy cónhiều cách để phân loại rơle

a.Phân loại theo nguyên lý làm việc gồm các nhóm

- Rơle điện cơ (rơle điện từ,rơle cảm ứng…)

- Rơle nhiệt

- Rơle từ…

b.Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành.

- Rơle có tiếp điểm

- Rơ le không tiếp điểm (rơle tĩnh): Loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngộtcác tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điên cảm, điệndung, điện trở,…

c Phân loại theo đặc tính tham số vào.

- Rơ le dòng điện

- Rơ le điện áp…

d Phân loại theo cách mắc cơ cấu

- Rơ le sơ cấp: Được mắc trực tiếp vào mạch cần bảo vệ

- Rơ le thứ cấp: Được lắp vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện

e Phân theo gia trị và chiều các đại lượng đi vào rơ le.

- Rơ le cực đại

- Rơ le cực tiểu…

2.7.4 Đặc tính vào ra của rơle.

Hình 2.21 Đặc tính vào ra của rơle Quan hệ giữa đại lượng vào và ra của rơ le như hình minh họa

Khi X biến thiên từ 0 đến X2 thì Y= Y1 đến khi X= X1 thì Y tăng từ Y= Y1 đến Y=

Y2 (nhảy bậc) Nếu X tăng tiếp thì Y không đổi Y= Y2 Khi X giảm từ X2 về lại X1 thìY= Y2 đến X= X1 thì Y giảm từ Y2 về Y= Y1

Nếu gọi :

+ X=X2= Xtđ là giá trị tác động rơ le

+ X=X1=Xnh là giá trị nhả của rơ le

2.7.4.1 Các thông số của rơle.

a Hệ số điều khiển rơle.

- Pđk là công suất điều khiển định mức của rơ le, chính là công suất định mức của cơcấu chấp hành

- Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơ

le tác động

3 0

b.Thời gian tác động.

Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấu chấp hành

làm việc Với rơ le điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấp dòng ( hay áp)cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểm thường mở) và mở hoàntoàn (với tiếp điểm thường đóng)

2.7.4.2 Một số loại rơle thông dụng.

a Rơle trung gian.

- Rơ le trung gian được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện trong các

hệ thống điều khiển tự động

- Do có số lượng tiếp điểm lớn, từ 4 đến 6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường

mở Rơ le trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt của rơ le chính không đủ,hoặc chia tín hiệu từ rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của sơ đồ mạch điềukhiển

- Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử, Rơ le trung gian thườngđược dùng làm các phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho bộ phận mạch phía sau, đồngthời cách ly điện áp giữa phần điều khiển thường là điện áp thấp, một chiều (5V, 10V,12V, 24V) với phần chấp hành thướng là điện áp lớn xoay chiều (220V, 380V)

Hình 2.22 Rơ le trung gianNhững yêu cầu khi chọn rơ le trung gian

Công suất tiêu thụ nhỏ

Kết cấu sử dụng đơn giản

Công suất ngắt của hệ thống là đủ lớn

Độ bền cơ, độ bền điện của cặp tiếp điểm

Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhu cầu sử dụng

b Rơ le thời gian.

Trong tự động điều khiển và bảo vệ thường gặp phải những trường hợp cần có mộtkhoảng thời gian giữa những thời điểm tác động của hai hay nhiều thiết bị hoặc trong

tự động hóa quá trình sản xuất, nhiều khi phải tiến hành những thao tác kế tiếp nhaucách nhau những khoảng thời gian xá định Để tạo nên những khoảng thời gian đóngười ta dùng rơ le thời gian Như vậy rơ le thời gian là thiết bị khi có tín hiệu vào rơ

le thì sau một thời gian xác định rơ le phát tín hiệu ở đầu ra (còn gọi là rơ le trễ thờigian hay bộ trễ) Rơ le thời gian có nhiều loại cấu tạo, nguyên lý hoạt động khác nhaunhư: rơ le thời gian điện từ, kiểu thủy lực, kiêủ đồng hồ, kiểu kỹ thuật số Tùy theo yêucầu công nghệ giá thành mà ta chọn cho phù hợp

Những yêu cầu khi chọn rơ le thời gian

Khả năng duy trì thời gian ổn định chính xác, không phụ thuộc dao động của điện ápnguồn cấp, tần số nhiệt độ môi trường…

Công suất ngắt của hệ thống tiếp điểm là đủ lớn

Công suất tiêu thụ nhỏ

Kết cấu sử dụng đơn giản

Số tiếp điểm rơ le cung cấp.

Hầu hết các loại rơ le yêu cầu trở về trạng thái khi tín hiệu điện vào ban đầu bằngkhông, do đó yêu cầu hệ số nhả cao

Hình 2.23 Rơ le thời gian

2.8 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG

2.8.1 Động cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máyquan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điệnmột chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm :

* Ưu điểm:

Nhiều khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khảnăng quá tải không những thế cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản, đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ Chính vì vậy mà động cơ một chiềuđược dùng nhiều trong các ngành cồng nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhưcán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…

* Nhược điểm:

Bên cạnh đó động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó:Giá thành của động cơ điện một chiều lớn hơn động cơ điện xoay chiều, chế tạo và bảoquản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện)…

Nhưng do những ưu điểm nên động cơ điện một chiều vẫn có một tầm quan trọngnhất định trong sản xuất

Hình.2.24 Động cơ điện một chiều

2.8.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia làm hai phần chính phần tĩnh và phần động

a Phần tĩnh (stato).

Đây là phần đứng yên của máy bao gồm những bộ phận sau:

Cực từ chính.

3 2

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt, cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoàilõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm từ những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày từ0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện

kỹ thuật thành một khối, tấm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dâykích từ được đặt trên các cực từ nối tiếp với nhau

Cực từ phụ.

Được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từphụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo lạigiống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong

- Cơ cấu chổi than:

Để đưa điện từ chổi than ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm chổi than đặt tronghộp chổi than chò một lò xo tỳ chặt trên cổ góp Hộp chổi than được đặt cố định trêngiá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị tríchổi than cho đúng chỗ

Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường đạp các rãnh đểkhi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ

Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Trong máyđiện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiếtdiện dây là hình chữ nhật

Cổ góp:

Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiềuphiến ghép bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục Cácphiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm meca đặt ở giữa Đuôi các phiến góp

nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầudây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.

Hình 2.26 Cấu tạo động cơ điện một chiều

2.8.1.2 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều:

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có dòng

Fđt tác dụng làm cho roto quay Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do cóphiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động

cơ có chiều quay không đổi

còn được gọi là sức phản điện

3 4

2.8.1.3 Điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều.

a Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc

độ moomen Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưuviệt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ), phụ thuộc vào Ф (từ thông ),

R (điện trở),U (điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện mộtchiều ta có các phương pháp sau:

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ

b Đảo chiều động cơ.

Để đảo chiều quay của động cơ một chiều ta đảo chiều quay mômen động cơ bằng

1 trong 2 cách

M= KФI

- Đổi chiều từ thông Ф (đảo chiều Ikt) còn I giữ chiều cũ nghĩa là cực tính của điện

áp đặt vào giữ nguyên như cũ Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ Khimáy đang quay do hệ số điện cảm của cuôn dây kích từ lớn ( do có nhiều vòng dây)

đánh thủng cách điện dây quấn kích từ

- Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chọn phương pháp đảo chiều dòng phần ứng

Hình 2.28 Dòng điện qua roto đảo chiều

Hình 2.29 Sơ đồ dòng điện khi đi qua stator và roto

2.8.2 Động cơ điện xoay chiều.

2.8.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Hình 2.30 Động cơ điện xoay chiều một pha

Động cơ điện xoay chiều gồm có hai phần chính là stato và roto

- Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vànhtròn để tạo ra từ trường quay

- Roto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây cuốn trên lõi thép Khi mắc động cơ

và mạng điện xoay chiều, từ trường quaydo stato gây ra làm cho roto quay trên trục.Chuyển động quay của roto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vậnhành các máy công cụ hoặc cơ cấu truyền động khác

2.8.2.2 Phân loại.

Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau

Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại:

Động cơ điện xoay chiều 3 pha.

Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba namchâm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn Cách bố trí các cuộn dây tương tự nhưtrong máy phát điện ba pha, nhưng trong động cơ điện người ta đưa dòng điện từ ngoàivào các cuộn dây

Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trường quay do stato gây ra làm chorôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được

sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác

Động cơ điện xoay chiều 1 pha.

Dựa theo nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, người ta chế tạo đượcnhững động cơ không đồng bộ một pha

Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nốithẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện

Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo

ra từ trường quay

Động cơ không đồng bộ một pha chỉ đạt được công suất nhỏ, nó chủ yếu đượcdùng trong các dụng cụ gia đình như quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước…

3 6

2.8.2.3 Điều khiển động cơ điện xoay chiều.

- Điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha có sử dụng biến tần

- Động cơ điện xoay chiều có chổi than giống với động cơ điện một chiều

- Điều chỉnh các loại động cơ điện xoay chiều một pha bạn có thể dùng các bộcontrol panel của các hãng như OMROM, Mitshubishi…

2.8.3.1 Cấu tạo động cơ bước :

Động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiềukhông tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước có thể được mô tả như một động cơ điện không đồng bộ chuyểnmạch Cụ thể , các mấu trong động cơ là stator và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặctrong trường hợp của động cơ biến từ trở,nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ

có từ tính Tất cả các mạch được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt,các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên vị trí cố địnhnào cũng như quay đến bất kì vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động

ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và một bộ điều khiển thích hợp,chúng có thể khởi độngvà dùng lại dễ dàng ở các vị trí bất kì

2.8.3.2 Phân loại nguyên lý hoạt động động cơ bước

a Phân loại :

Động cơ bước được chia làm hai loại:

Nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (ngoài ra còn có động cơ hỗn hợp, động cơ nàykhông có gì khác biệt so vói động cơ nam châm vĩnh cửu)

b Nguyên lý hoạt động chung của động cơ bước.

Động cơ bước thông thường Roto là nam châm vĩnh cửu trên đó có các cặp namchâm N- S định sẵn Stato là cá cuộn dây Khi cuộn dây được cấp điên theo định luậtcảm ứng điện từ, roto sẽ quay tới điểm trung tính vật lý của từ trường và giữ cân bằngtại điểm đó Do vậy khi phối hợp cấp điện cho cuộn dây một cách hợp lý, roto sẽchuyển động theo chiều dịch chuyển của từ trường tạo nên chuyển động quay củađộng cơ

Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của từ trường

2.8.3.3 Các chế độ hoạt động khi điều khiển động cơ bước.

Thông thường động cơ bước hoạt động ở hai chế độ cơ bản:

- Chế độ cả bước (Fullstep)

- Chế độ nửa bước (Halstep)

Hai chế độ trên rất hay gặp trong thực tế và chúng cũng có các ưu nhược điểmnhất định Sau đây là phần trình bày chi tiết hai chế độ đã nêu

Chế độ cả bước (Fullstep):

Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ cả bước :

Các bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách đóng mở đồng thời cùnglúc các cuộn dây một cách hợp lý tạo nên từ trường quay trong động cơ

Chế độ nửa bước (Halfstep):

Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ nửa bước:

Bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách xen kẽ cấp điện cho một cuộndây với việc cấp điện đồng thời cho các cuộn dây tương ứng Vì vậy mà bước quaycủa động cơ giảm đi một nửa

Hay nói cách khác chế độ hoạt động nửa bước là mở rộng của chế độ hoạt động

cả bước

Ưu nhược điểm của hai chế độ trên:

Cùng với một tần số clock thì động cơ hoạt động ở chế độ Fullstep chạy nhanh hơn ởchế độ nửa bước sẽ có momen khỏe hơn chế độ hoạt động cả bước

Trong vùng tốc độ cao điều này là ngược lại Điềunày được giải thích do quán tínhcủa động cơ Ở cùng một tốc độ ( trong vùng tốc độ thấp ) nếu dòng điện qua động cơkhông đổi thì tức là mỗi cuộn dây trong chế độ nửa bước sẽ chịu dòng lớn hơn và mỗibước của động cơ chỉ bằng một nửa so với chế độ (cả bước) nên mômen động cơ sẽkhỏe hơn

Khi hoạt động trong vùng tốc độ cao thì thực chất là cùng tốc độ trên trục động

cơ ở chế độ nửa bước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần so với chế độ cảbước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần với chê độ cả bước và do tính chấtđiện cảm của cuộn dây tốc độ qua nhanh sẽ làm cho dòng điện không kịp biến thiên( không tăng kịp) điều này làm giảm mạnh momen trên trục động cơ

Động cơ bước nguồn đơn cực:

Hình 2.31 Động cơ bước nguồn đơn cực

Đây là loại động cơ phổ biến thường gặp trong thực tế do tính chất đơn giản củađộng cơ về nguồn cấp cũng như phương pháp điều khiển và đo đạc thông số của động

cơ, đọng cơ thường được sử dụng trong sản xuất điều khiển chính xác

Động cơ bước nguồn lưỡng cực:

Hình 2.32 Động cơ bước nguồn lưỡng cực Động cơ gồm hai cuộn dây độc lập do đó để điều khiển hoạt động như động cơnguồn đơn cực thì ta phải đảo chiều từ trường bằng cách đảo chiều dòng điện dòngđiện cấp vào động cơ Có hai cách để thực hiện việc trên

Sử dụng nguồn có V+ và V- sau đó đóng cắt một cách hợp lý để tạo ra từ trườngquay Chính vì lý do này mà ta gọi động là động cơ nguồn lưỡng cực

Sử dụng mạch cầu H- B và chỉ sử dụng nguồn đơn cực Phương pháp này hay gặptrong thực tế do nguồn đơn cực phổ biến hơn

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các loại động cơ điện trên, ta nên chọn loạiđộng cơ một chiều cho mô hình vì nó có sử dụng điện áp một chiều, công suất nhỏ,kích thước nhỏ gọn phù hợp với mô hình, dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảo chiều