Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyênngành điện công nghiệp, tự động hóa, cơ điện… Nhằm cung cấp cho người họcnhững kiến thức cơ bản về các phương pháp
Lý do lựa chọn đề tài
- Như chúng ta đã biết, ngày nay nước ta đang trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nên ngành công nghiệp có một vai trò rất quan trọng góp phần thúc đẩy vào sự phát triển của cả nền kinh tế Vì thế việc ứng dụng công nghệ mới vào sản xuất là một điều tất yếu của xu thế phát triển hiện tại Vì thế điều khiển tự động là một hệ thống được áp dụng rất nhiều, trong các nhà máy, công ty sản xuất Bởi vậy mà động cơ điện ngày càng được ứng dụng rất rộng rãi
- Từ thế kỷ 20, cửa kính tự động đã được sử dụng ở châu Âu Nhưng từ năm 1960 trở đi, cửa tự động mới được sử dụng phổ biến ở các công trình công cộng như trung tâm thương mại, khách sạn, ngân hàng, Trải qua quá trình cập nhật cải tiến công nghệ liên tục trong thập niên 70 và 80, đến thập niên 90, cửa tự động cuối cùng đã được tích hợp với cảm biến hồng ngoại để mang lại sự tiện lợi ưu việt cho người sử dụng Công nghệ hồng ngoại này vẫn được sử dụng đến ngày nay.
- Hiện nay, cửa tự động dần trở nên quen thuộc hơn với mọi người, chúng ta luôn có thể nhìn thấy cửa tự động ở mọi nơi như cửa hàng tiện lợi, siêu thị, bệnh viện, nhà hàng, shop thời trang, quán cafe, Cho nên là đề tài “ Thiết kế hệ thống truyền động cho cửa tự động “ là một đề tài bổ ích và hứng thú cho sinh viên chúng em lựa chọn.
Giới hạn đề tài
- Trong phạm vi đồ án này, nhóm em xin trình bày sơ lược về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của mô hình và kết cấu và phương pháp hoạt động của cửa tự động
Nguồn tư liệu
- Dựa vào mục đích tìm hiểu, phạm vi giới hạn và đối tượng nghiên cứu; trong quá trình thực hiện, đề tài sử dụng nguồn tư liệu như sau:
* Các tài liệu kỹ thuật về cấu trúc, nguyên lý hoạt động.
* Các tài liệu về trang thiết bị điện tử.
* Tài liệu về lập trình Arduino.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu thông qua đề tài là tìm hiểu về ứng dụng và nguyên lý hoạt động của cử tự động nên nhiệm vụ nghiên cứu gồm :
* Tìm hiểu cơ chế hoạt động
* Phân tích sơ đồ nguyên lý
* Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển, làm sản phẩm điện tử
* Phát triển khả năng tứ duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu.
Sơ bộ tìm hiểu về cửa tự động
Tìm hiểu chi tiết về cấu tạo của cửa tự động
Cửa tự động được chia ra làm nhiều loại với hình thức và loại cánh cửa khác nhau để phù hợp với yêu cầu công năng của từng công trình Tuy nhiên về cốt lõi, cấu tạo cơ bản của cửa tự động lại được chia thành 2 nhóm chính là cửa trượt và cửa xoay Nhưng mà đề tài hôm nay chúng ta sẽ được phép tìm hiểu về cửa trượt tự động. a Cấu tạo
Nói về cửa trượt tự động, có rất nhiều kiểu dáng hoạt động khác nhau nhưng trên cơ bản đều bao gồm các bộ phận sau: o Ray trượt, nắp (Rail and Cover, Transom) o Bo mạch điều khiển (controller) o Động cơ điện (motor) o Dây đai truyền động (Timing belt) o Pulley không tải (Idler Pulley) o Bộ tai treo bánh xe o Cảm biến (Sensor) o Con chặn cửa (Door Stopper) o Biến thế nguồn ( tùy theo hãng sản xuất).
Nguyên lí hoạt động của cửa tự động
Cửa tự động hồng ngoại cảm biến mắt thần: Cửa sẽ mở ra khi mắt thần cảm nhận được tia hồng ngoại từ nguồn nhiệt đang di chuyển đến gần (chỉ cần là người hoặc con vật đều là nguồn nhiệt)
Hình 1.2 : Nguyên lý hoạt động của cửa tự động.
1.5.4 Một số loại cửa tự động hiện nay.
Hiện nay có rất nhiều loại cửa tự động: cửa kéo, cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt…
Nhưng chúng thường được sản xuất ở nước ngoài và bán tại Việt Nam với giá thành rất cao Vì thế chúng không được sử dụng rộng rãi Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam rất là lớn về số lượng và chủng loại.
Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất rất nhỏ Loại cử này thường được sử dụng cho gara oto Nó có tính tinh tế khá cao vì không mấy khó khan khi làm được loại cử này.
Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và rất dễ vị hỏng hơn là các loại cử khác.
Hình 1.4 : Cửa kéo Loại cử này nhìn rất lạ, kết cấu đơn giản, một động cơ gắn cố định Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây Ưu điểm của loại cửa này là đơn giản hiệu quả, so với loại cửa cuốn thì cánh cửa chắc chắn hơn nhiều có lẽ nhược điểm của loại cửa này là cần phải gắn ở nơi có thể chịu đủ sức nặng của cửa này Vì vậy trong thực tế người ta ít khi sử dụng loại cử kéo này do phải gắn đủ chắc để chịu sức nặng nếu không thì sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng.
Yêu cầu của mô hình
Yêu cầu về chương trình chung
- Cửa phải tự động mở khi có người ra vào, và phải tự động đóng khi không có người đi lại.
- Cửa thiết kế để có thể đóng mở một cách thông minh.
- Khi cửa đang đóng lại, nếu lại có tín hiệu người thì cửa lại lập tức mở ra.
Yêu cầu về cơ khí
Yêu cầu của mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt động, phải chắc chắn và gọn gàng Do đó, việc thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình cũng phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: Khung cửa, cánh cửa, rãnh trượt, xích, bánh răng , trục quay Ngoài ra,còn có các kết cấu phụ để tạo ra mô hình cửa tự động thật hoàn chỉnh như cửa thật Động cơ ở đây là loại động cơ 1 chiều được cấp nguồn bởi bộ chỉnh lưu cầu một chiều, kết hợp với bộ đảo chiều động cơ có thể quay thuận hoặc quay nghịch.
Mục đích của việc chế tạo mô hình
Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình cửa tự động này sinh viên cũng phải tham khảo thực tế nhiều lĩnh vực và tham khảo bằng nhiều tài liệu khác nhau Điều đó mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn cho sinh viên không chỉ trong một lĩnh vực tự
Việc chế tạo ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điêu kiện cho sinh viên có cơ hội học tập và nghiên cứu môn học một cách thực tế, là một cơ hội rất tốt giúp sinh viên khỏi bỡ ngỡ khi làm việc thực tế.
Tạo ra một mô hình cửa đóng mở tự động có thể hoạt động tốt, từ đó có thể chế tạo được cửa tự động phục vụ thực tế
CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ
Yêu cầu bài toán
Thiết kế hệ thống truyền động cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển hệ thống cửa tự động với số liệu ban đầu như sau :
- Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V.
- Tốc độ mở cửa là 0,5m/s.
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ hệ thống Với JM là momen quán tính của động cơ.
Mem là Momen điện từ của động cơ. ω m là tốc độ quay của động cơ.
M là khối lượng của vật. f L là lực ma sát của vật. v là tốc độ dài của vật. r là bán kính của ròng rọc.
Tải M chịu tác động của lực f L , P trọng lực, N phản lực Chịu 1 lực thêm từ bên ngoài giúp nó duy chuyển cới tốc độ v = d x d t ta thấy lực f L và f M nhỏ nên ta bỏ quá Từ đây có thể có được công thức Momen điện từ Mem:
Hình 2.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải a) Yêu cầu bài toán
Loại cửa : Cửa mở cánh.
Kích thước của cửa: cao : 2m , dài 3m.
Trọng lượng của cửa : 50kg.
Tốc độ mong muốn của cửa 0.5m/s.
Loại động cơ : động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo yêu cầu tốc độ như hình 2.9.
Nguồn điện sử dụng : 220/380V, do đó cần sử dụng bộ biến đổi phù hợp.
Hệ thống hoạt động ổn định, bám càng sát với đồ thị tốc độ mong muốn thì càng tốt.
Sai số nằm trong khoảng cho phép.
Điều chỉnh động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay.
- Tải di chuyển như sau :
+ Vận tốc mong muốn của cửa là 0.5m/s Mà cửa dài 3m, nên là cần 6s để mở hết cánh cửa
+ 0 – 1s: cửa chuyển động nhanh dần đều với tốc độ ổn định 0,5m/s. + 1 - 6s : cửa duy trì với vận tốc 0,5m/s.
+ 6-7s : cửa bắt đầu giảm tốc từ 0,5m/s xuống 0m/s.
+ 12 – 13s : cửa chuyển động nhanh dần đều với tốc độ ổn định 0,5m/s theo hướng ngược lại.
+ 13- 18s cửa duy trì vận tốc 0,5m/s.
+ 18 – 19s cửa chuyển động chậm dần và dừng lại
+ Quá trình lặp lại khi có tác động của cảm biến vật cản hoặc rfid.
Hình 2.2 : Đồ thị tốc độ tải mong muốn. b) Đặc tính cơ của tải: Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và momen cản của máy sản xuất :Mc=f(ω) hay Mc = f(n).
Trong đó: ω – Tốc độ góc (rad/s) n – Tốc độ quay(vòng/phút)
Mc – Momen cản (N.m) Phương trình đặc tính của tải :
Mc=Mco+(Mđm−Mco) ( ω ω đm ) α
Trong đó : Mc – Momen ứng với tốc độ ω
Mco – Momen ứng với tốc độ ω=0.
Mđm – Momen ứng với tốc độ ωdm
2.2 Tính chọn công suất của động cơ
Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện Các yêu cầu kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển động cơ.
Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu chuẩn phải đáp ứng:
- Động cơ phải có đủ công suất kéo.
- Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp.
- Thõa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điền.
- Phù hợp với nguồn điện điện năng sử dụng( loại dòng điện, điện áp )
- Thích hợp với điều kiện làm việc( điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà…)
Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cos của lưới điện do động cơ chạy non tải Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng. Để tính chọn công suất động cơ trong hệ thống có điều chỉnh tốc độ cần phải biết những yêu cầu cơ bản sau:
- Đặc tính phụ tải P yc (ω), M yc (ω) và đồ thị phụ tải: P c (t), M c (t) ω(t).
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ω max , ω min
- Loại động cơ( một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn.
- Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần phải định hướng xác định trước.
2.3 Tính toán và lựa chọn động cơ.
Bảng 2.3 Datasheet của dây đai muốn chọn.
Mật độ đơn vị là 0,7Kg/ m 2
Tổng khối lượng của dây đai kéo cửa : 5 (Kg)
Tổng khối lượng của cửa và dây đai : Mcửa + Mdây = 50 + 5 = 55(Kg)
2.3.2 Tốc độ góc mong muốn
Chọn bán kính trục : r = 25mm = 0,025m
Từ đồ thị tốc độ mong muốn, ta tính được tốc độ góc tương ứng theo từng mốc thời gian:
Từ thông số sau ta có đồ thị tốc độ góc như sau :
Material Friction Coefficient Thinkness mm
Hình 2.3 Đồ thị tốc độ góc.
2.3.3 Momen điện từ của động cơ
Dựa vào đồ thị tốc độ mong muốn của tải và các thông số đã cho, ta tính được momon mong muốn của tải tại từng thời điểm:
Vì tải của mình là cửa hình khối “ tấm bản đồng chất”dài 3m, cao 2m và có khối lượng mPkg Nên ta có công thức tính momen tải là
Chọn Jdc = 0,5Kg m 2 (momen quán tính của động cơ )
1 Tính momen quán tính của tải quy đổi về trục động cơ.
Ta có J t qd =J t i 2 Trong đó Jt là momen của tải. i là tỉ số truyền
2 Momen quán tính tổng trên trục động cơ.
Ta có J Σ =J dc +J t qd Trong đó J dc là momen của động cơ : chọn 0.5.
3 Momen của tải quy đổi về trục động cơ.
Ta có : M t qd = M tải i Đầu tiên, ta phải xác định được các lực tác dụng lên cửa:
Sau đó, ta phải xác định khoảng các từ trục quay đến điểm tác dụng lực:
- Khoảng các từ tục quay đến điểm tác dụng lực: r = 3/2 =1,5m. Cuối cùng, ta có Momen tải :
M t ải = F r với F là lực tác dụng lên cửa và r là khoảng cách đến điểm tác dụng lực.
Ta có công thức tính momen trong khoảng thời gian a-b là
M em = M t qd +J Σ dω dt (N.m) -Từ 0–1s: M em =M t qd +J Σ dω dt 7,15+14,8.(20−0)
- Từ 6–7s: M em =M t qd +J Σ dω dt = 147,5 + 14,80−2 0 7−6 = -148,85(N.m) -Từ 7–12s: M em =M t qd +J Σ dω dt 7,15+14,8 0−0
- Từ 12–13s: M em =M t qd +J Σ dω dt = 147,15 +14,8 −2 0−0 13−12= -148,85 (N.m) -Từ 13–18s: M em =M t qd +J Σ dω dt =¿ 147,15 + 14,8.−2 0+2 0 18−13 = 147,15 (N.m)
Hình 2.5 : Đồ thị momen điện từ.
2.3.4 Công suất làm việc của hệ thống.
- Ta có công suất của hệ thống là :
- Chọn hệ số an toàn : SOF(Safety Of Factor) : 1,5.
Từ tốc độ góc ta có thể tính được Momen hệ thống như sau :
Momen xoắn của hệ thống :Mxoắn = P
Momen kéo cửa : Mkéo = P d 2 = P rS,95.0,025=1,35(N m)
Lực quán tính của roller : Mroller = 1 2 m roller r 2 =1
Momen quán tính của bang tải kéo cửa :
2.3.5 Lập biểu đồ phụ tải sơ bộ.
Quy đổi sang công suất động cơ theo thời gian :
Trong đó : P là công suất động cơ
M em là momen tải ω M là tốc độ quay của roto. t(s) ω M M em P em = M em ω M
√ ∑ n j ∑ n j P t 2 j ´ j t ´ j = √ 8 870 2 1+ 2 943 1+ 2 5+ 5+ 1+5+1+ 0.5+ 2970 5+1 2 1+(−2 943) 2 5 ¿2 891.9(W)Hệ số an toàn chọn k = 1,4 => Pdm= 4048.58(W)
Chọn loại động cơ LAK2132-2M-EM4976 của hãng TT Electric có thông số:
1 Điện áp định mức(VDC) 110
5 Tốc độ định mức(vòng/phút) 1500
Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ:
Dùng phương pháp đẳng trị:
Ta thấy Pdc>Pdt nên động cơ thõa mãn điều khiện phát nóng
Cho nên động cơ phù hợp với yêu cầu.
Tính chọn hộp số: n = 1500 vòng/phút -> n C #8 vòng/phút.
Cần sử dụng hộp số giảm tốc có tỉ lệ n= n n
- Chọn hộp số có các thông số sau:
Thông số Giá trị Đ n vơn vị ị
Tốc độ vào 4000 Vòng/phút
Máy biến áp
2.9.1 Yêu cầu của máy biến áp
Do sử dụng nhiều mức điện áp có thể cung cấp cho các thiết bị hoạt động nên ta cần phải sử dụng máy biến áp Cụ thể cho các mức điện áp quy đổi như sau:
12V 1 chiều cho động cơ điện.
5V 1 chiều cho các vi xử lý, mạch báo đèn , led, loa…
Từ yêu cầu của việc thiết kế, ta chọn máy biến áp có thông số sau: Điện áp cuộn sơ cấp: 220V
Các cuộn thứ cấp có mức điện áp là 12V,5V.
TÌM HIỂU VỀ LINK KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
Arduino UNO R3
- Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor, hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi.
- Arduino UNO có 14 số chân đầu vào / đầu ra, 6 đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp điện cho nó để bắt đầu.
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8 bit Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ Khoảng 30 mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 ( 6 chân hardware PWM)
Số chân analog 6 (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa(3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB dùng bởi bootloader
* 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này.
* 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà ta phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
* 1KB cho EPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
* GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
* 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
* 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
* Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
* IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này và luôn là 5V Tuy nhiên, không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng vì chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
* RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
* Các chân Input/Output: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V
- Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
* 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này
* Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
* Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
* LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Màn hình LCD
- Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) hay còn gọi là màn hình tinh thể lỏng hoạt động dựa vào việc sử dụng đèn nền phát quang đến các hạt tinh thể lỏng có khả năng phát sáng gián tiếp, một loại vật chất phản xạ ánh sáng khi điện thế thay đổi (thay đổi màu sắc dựa trên đèn nền).
- Dùng để hiển thị loại và số lượng sản phẩm đếm được của hệ thống.
* Điện áp ra mức cao : > 2.4.
* Điện áp ra mức thấp :