Thuyết minh Đồ án các hệ thống Đo cơ Điện tử Đề tài Đo tốc Độ Động cơ sử dụng encoder dc

Việc đo tốc độ bằng encoder đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chính xác và hiệu suất của các hệ thông chuyên động.. Việc đo tốc độ bằng encoder không chỉ là một phần quan trọng

TRUONG DAI HOC KY THUAT CONG NGHIEP

KHOA CO KHI

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

THUYET MINH DO AN CAC HE THONG DO CO DIEN TU

DE TAI: DO TOC DO DONG CO SU DUNG ENCODER

Giáo viên hướng dẫn: TS Dương Quốc Khánh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tân

Mã số sinh viên: K205520114125

Lớp: K56CDT.02

Thái Nguyên 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẠT CÔNG NGHIẸP

KHOA CƠ KHÍ

BỌ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

DO AN MON HOC

CAC HE THONG DO CO DIEN TU

Lớp: K56CDT.02

Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Ngày giao đề Ngày hoàn thành

1 Tên đề tài: Đo tốc độ động cơ sử dụng encoder

2 Nội dung thuyết minh

1 Tổng quan các phương pháp đo tốc độ động cơ

NHAN XET CUA GIAO VIEN HUONG DAN

Thái Nguyên, ngay thang naim 20

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

DANH GIA CUA GIAO VIEN CHAM

(Ky ghi rõ họ tên) (Ký phi rõ họ tên)

LOI NOI DAU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai

trò đặc biệt quan trọng Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng, khả năng cạnh tranh sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao động Việc piám sát tốc độ động cơ là rất cần thiết Việc đo tốc độ bằng encoder đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chính xác và hiệu suất của các hệ thông chuyên động Encoder là công cụ đo lường linh hoạt và đáng tin cậy mang lại sự chính xác và đồng nhất trong quá trình theo dõi vận tốc Việc đo tốc độ bằng encoder không chỉ

là một phần quan trọng của công nghiệp và tự động hóa mà còn đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chính xác và hiệu suất của các hệ thống chuyền động Encoder, như một công cụ đo lường linh hoạt và đáng tin cậy mang lại sự chính xác và đồng nhất trong quá trình theo dõi vận tốc của các đối tượng chuyên động

DO AN THIET KE HE THONG DO TOC DO DONG CO SU DUNG ENCODER

giúp em làm quen và tìm hiểu kĩ hơn với những vấn đề cốt lõi cơ bản nhất về hệ thống đo

và rất có ích cho em sau này Qua đó em có thê tìm hiểu sâu hơn và tìm hiểu được các tiếp cận và giải quyết các vấn đề của môn học chuyên nghành Đồng thời qua việc lam dé

án cũng hình thành thêm các kĩ năng làm việc, lập kế hoạch viết báo cáo Rất có ích sau này

Trong qua trinh thiết kế đỗ án dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của Thay giáo Dương Quốc Khánh củng với sự tỉm hiểu của bản thân, đến nay nhiệm vụ của em đã hoàn

thành Khi thiết ké, tính toán làm đồ án có rất nhiều vấn đề đặt ra mà trong phạm vi khả

năng của em còn hạn chế chưa giải quyết triệt để được, em rất mong được sự nhận xét chỉ dẫn và sửa đổi của các thầy cô trone bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin tran thanh cam on!

CHUONG 1

TONG QUAN VE PHUONG PHAP DO TOC DO DONG CO 1.1 Tổng quan về hệ thống đo

Hệ thống đo cơ điện tử, là một phần không thể thiếu trong cả lĩnh vực nghiên cứu

và ứng dụng công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và đo lường các thông số liên quan đến cơ bản của môi trường và cơ thê Tích hợp cảm biến cơ và thiết bị

điện tử, hệ thống nay chuyén đổi các tín hiệu về chuyền động, áp suất, nhiệt độ và các thông số khác thành đữ liệu số có thể phân tích

ĐẠI LƯỢNG

Mach do: Mach do trong hệ thong đo có nhiệm vụ chuyền đổi tín hiệu từ đối tượng

đo thành đạng có thê xử lý, thường là tín hiệu số Chức năng chính của mạch đo bao gồm việc tăng độ lớn của tín hiệu, lọc nhiều và tạp âm không mong muốn, hiệu chuân để đảm bảo độ chính xác, chuyén déi tir dang analog sang digital (ADC), va cé thê ghi đữ liệu để lưu trữ thông tin đo lường Mục đích là đảm bảo rằng thông tin đo lường được thu thập một cách chính xác và tin cậy

Cơ cấu chỉ thị: Cơ cấu chỉ thị trong một hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc

hiển thị thông tin và trạng thái Chức năng chính của nó bao gồm việc hiển thị đữ liệu đo

lường hoặc trạng thái của hệ thống, cung cấp thông báo và cảnh báo khi cần thiết Đồng thời, nó giúp người sử dụng theo dõi trạng thái của hệ thống và thực hiện điều chỉnh Cơ cấu chỉ thị cũng đóng vai trò trong việc đồng bộ hóa và điều khiển thành phần của hệ thông, tạo ra một giao diện trực quan và hiệu quả giữa hệ thống và người sử dụng

1.2 Téng quan vé mạch đo tốc độ động cơ

Có 3 phương pháp đo tốc độ của động cơ Tùy vào từng mục đích sử dụng mà có thể đo được tốc độ vòng quay động cơ chính xác nhất

a Phương pháp đo không tiếp xúc

Đây là phương pháp cũ nhất trong các phương pháp đo rpm Tốc độ vòng quay của vật cần đo sẽ được cảm biến chuyền đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ được thiết bị phân tích và hiển thị Phương pháp đo này vẫn được sử dụng thường xuyên nhưng chủ yếu dùng cho những vật có tốc độ quay thấp từ 20 rpm đến 20.000 rpm Sự bắt lợi của phương pháp này là tốc độ quay của tải phụ thuộc rất nhiều vảo lực tiếp xúc Ngoài ra,

phương pháp đo này không thể đo cho những vật có kích thước nhỏ Nếu như tốc độ

vòng quay quá lớn cảm biến sẽ bị trượt ra ngoài

b Phương pháp đo không tiếp xúc

Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chum tia phản xạ tại vật cần đo Thiết bị sẽ phát ra một chùm tia hồng ngoại, chum tia ánh sang này sẽ bị phản xạ lai tai vat cần đo bởi tắm phản quang được dán lên vật cần đo Khoảng cách lớn nhất giữa tắm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm Phương pháp đo này sẽ cao cấp

hơn phương pháp đo tiếp xúc Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể dán được tâm

phản quang lên trên vật cần đo Dải đo 20 rpm đến 100.000 rpm

c Phương pháp đo sử dụng tần số chớp

Dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên trong mắt người quan sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ với sự di chuyển của vật Phương pháp đo nảy có những đặc tính nôi bật hơn các phương pháp đo khác đó là có thế đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta không chạm đến được Không cần thiết phai dan tam phản quang lên vật cần đo Ví dụ như không cần thiết phải dừng lại quy trình sản xuất

Dải đo 30 rpm đến 20.000 rpm Ngoài ra, phương pháp đo này không chỉ đo được rpm

mà nó còn có thế đo rung và theo dõi chuyển động, ví dụ như: các mảng rung, mảng loa

Kết luận: Theo đề tài được giao em sẽ tập chung vào phương pháp đo không tiếp xúc:

Sử dụng encoder gan trên động cơ đề đo tốc độ của động cơ

1.3 Giới thiệu về đề tài

Trong đề tài sẽ sử dụng động cơ gắn encoder để đo tốc độ vòng quay của động cơ,

sử dụng bo mạch Arduino để điều khiển động cơ Trong các hoạt động sản xuất độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay Do tốc độ động cơ để đánh giá chính xác tốc độ quay hiện hành của động cơ, phục vụ thiết thực cho công việc sửa chữa, bảo dưỡng và tái kiểm tra độ chuẩn xác của động cơ

1.3.1 Ưu, nhược điểm của mạch đo tốc độ động cơ sử dụng encoder

- Không lưu được giá trị khi mắt điện

- Làm việc trong môi trường xấu độ thì chính xác giảm

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Arduino, cảm biến encoder, động cơ

D€

- Mô phỏng mạch và viết code bằng phần mềm

- Thiết kế mạch hệ thống đo hoàn chỉnh

1.3.3 Nguyên lý chung

Dùng cảm biến encoder đo tín hiệu xung, đưa tín hiệu xung về vi điều khiến Vi

điều khiển nhận tín hiệu xung và xử lý tín tín hiệu đưa ra màn hình LCD dé hién thị kết

quả là tốc độ động cơ

1.3.4 Các thành phần của mạch đo tốc độ động cơ sử dụng encoder

Encoder: Thu thập thông tin về vòng quay hoặc vận tốc của trục động cơ

Mạch xử lý: Xử lý tín hiệu từ encoder để chuyên đổi thành đữ liệu tốc độ động cơ

Giao dién hién thi: Hién thi két qua do tốc độ động cơ qua màn hình hiển thị LCD Mạch điều khiến: Điều khiển động cơ dựa trên thông tin về tốc độ

Nguồn điện: Cung cấp năng lượng cho toàn mạch đo tốc độ

Các thành phần kết nối: Bao gồm dây cáp và các linh kiện kết nối khác

1.3.5 Phân tích yêu cầu của mạch đo tốc độ động cơ sử dụng encoder

Đề hệ thống đo tốc độ động cơ hoạt động ôn định, cần đáp ứng những yêu cầu để đảm bảo hệ thống vận hành ôn định, chính xác và an toàn:

Độ chính xác của encoder: Cảm biến encoder cần có tốc độ chính xác cao dé dam bảo đo lường chính xác về tốc độ

Ôn định nguồn cấp điện: Mạch điện cần có nguồn cấp én định để đảm bảo hoạt động đúng cách các thành phân

Mạch xử lý tín hiệu chất lượng cao: Mạch xử lý tín hiệu cần được thiết kế để xử lý thông tin từ encoder một cách chính xác và hiệu quả

Giao diện hiển thị rõ ràng: Giao diện hiến thị cần cung cấp thông tin tốc độ động cơ mooth cách dễ đọc và dễ hiểu

Độ bền và ổn định cơ học: Các linh kiện vật lý như encoder và bộ truyền động cần đảm bảo độ bề và ôn định trong môi trường làm việc

Kết nối đáng tin cây: Các dây kết nối và dây cáp cần phải đáng tin cậy để tránh sự

cô đứt đoạn hoặc nhiễu tín hiệu

Bảo mật và an toàn: Đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu an toàn, đảm bảo rằng hệ thống không gây nguy hiểm khi đo tốc độ động cơ

Bằng cách tập trung vào những yêu cầu trên, hệ thống đo tốc độ động cơ có thể được thiết kế đề hoạt động một cách hiệu quả và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài 1.3.4 Thông số kĩ thuật cần đạt được trong mạch đo tốc độ động cơ sử dụng encoder

Độ chính xác: Xác định mức độ chính xác cần thiết cho ứng dụng, thường được đo trong phan tram cua giá trị đo

Độ phân giải: Kích thước nhỏ nhất của bước đo được, thường đo bằng đơn vị vòng quay hoặc tốc độ

Dai do: Pham vi 214 trị tốc độ mà hệ thống có thê đo lường, được xác định bởi p1ới hạn trên và giới hạn dưới

Độ ổn định: Khả năng duy trì độ chính xác và ổn định qua thời gian, ảnh hưởng bởi yếu tố như dao động, nhiệt độ và độ rung

Thời gian phản hồi: Thời gian mà hệ thông mất để phản ứng và điều chỉnh theo thay

1.6 Những yếu tổ quan trọng khi chọn cảm biến encoder để đo tốc độ động cơ

Độ chính xác: Cần chọn encoder có độ chính xác phù hợp với yêu cầu đo lường của ứng dụng Độ chính xác thường được xác định dưới dạng phần tram sai số

Độ phân giải: Độ phân giải của encoder quyết định khả năng đo lường chỉ tiết và

nhỏ nhất của các biến đổi trong vòng quay Điều này quan trọng đối với việc đo tốc độ động cơ chính xác

Dai do: Pham vi gia tri tốc độ mà encoder có thể đo được Đối với ứng dụng cần đo tốc độ ở mức cao hoặc mức thấp, cần encoder có dải đo rộng

Loại encoder: Có hai loại chính là encoder tuyệt đối và encoder tương đối Encoder

tuyệt đối cung cấp thông tin vi tri chính xác tại mọi thời điểm, trong khi encoder tương

đối tính tốc độ dựa trên số xung đếm trong khoảng thời gian

Tốc độ quay tối đa: Đảm bảo encoder có khả năng đo tốc độ động cơ ở mức tối đa

của nó mà không mắt thông tin

Khả năng chịu nhiễu và môi trường: Chọn encoder có khả năng chịu nhiễu tốt, đặc biệt là trone môi trường làm việc có nhiễu điện từ hoặc môi trường khắc nghiệt Giao tiếp: Chọn encoder có giao tiếp tương thích với hệ thống điều khiến

Chi phí: Xem xét giữa chỉ phí của encoder và yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo sự cân bằng giữa hiệu suất va chi phi

1.7 Lựa chọn bộ điều khiển

Ngày nay có rất nhiều bộ điều khiến có thể sử dụng trong điều khiến các hệ thống, với những cảm biến có phần không quá phức tạp thì việc đọc dữ liệu thì hầu hết các bộ điều khiển đều có thể làm việc một cách dễ dang

Trên thị trường hiện nay có nhiều bộ điều khiến khác nhau có thể được sử dung cho

hệ thống đo khối lượng, bao gồm cả PIC, Raspberry Pi, và STM32 Mỗi bộ điều khiến nay đều có những đặc điểm và ưu điểm riêng

Tuy nhién, khi xem xét tong thể, Arduino nỗi bật với sự đễ sử dung, gia ta chi phi tốt, và cộng đồng hỗ trợ mạnh mẽ Điều nảy làm cho Ardurno trở thành lựa chọn ưu việt

cho nhiều người khi tìm kiếm một bộ điều khiến linh hoạt, đáng tin cậy và dễ tích hợp

trong các ứng dụng ổo khối lượng Sự linh hoạt cua Arduino trong viéc kết hợp với các cảm biến và module khác cùng với sự đơn giản trong quá trình lập trình là những yếu tố quan trong khi đưa ra quyết định lựa chọn bộ điều khiển cho hệ thông

1.5 Ứng dụng thực tiễn của encoder

Trên máy CNC encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máy cũng như vị trí dao cắt Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác Kết quả encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại

vị trí chí tiết hay vị trí của dao cắt nhằm sửa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang may để biết được vị trí chính xác của thang máy Đảm bảo thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vảo

Trên các robot công nghiệp encoder không thể thiếu Nó dùng để quản lí các cử động của các khớp nối, cử động của cánh tay robot để đảm bảo chính xác vị trí

Trong các cuộc thi robocon Tín hiệu gửi về của encoder biết được vị trí của robocon trên sân đấu Ở các khúc cua thì vận tốc của hai bánh xe phải và bánh xe trái sẽ

không giống nhau Nhờ có encoder mà có thể tính toán và lập trình được số vòng quay

của hai bánh xe ở các khúc cua

1.6 Kết luận

Hệ thống đo là phần không thể thiếu trong một sản phâm cơ điện tử Được kết hợp

từ nhiều kiến thức đề tạo ra các hệ thông đo ứng dụng trong rất nhiều các sản phâm Tổng quan chương 1 ta năm được các nguyên lý cơ bản được sử dụng trong hệ thống đo phân tích được những yêu cầu bài toán đặt ra Tư duy được phương pháp giải bài toán đưa ra được những thông số kỹ thuật cần đạt được đề hệ thống hoạt động ổn định

CHUONG 2: XAY DUNG MO HINH HE THONG

2.1 So dé khéi

Hình 2.1 Sơ đồ khối

* Giải thích sơ đồ: Khối nguồn cung cấp điện vào khối vi xử lý và khối động cơ Khi đó động cơ sẽ quay, encoder đo tốc độ quay và chuyên thành dạng tín hiệu xung đưa về khối

vi xử lý Khối vi xử lý nhận nhiệm vụ xử lý tín hiệu đưa ra khối hiển thị

* Chức năng vai trò của các khối:

Khối nguồn: có vai trò cung cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống, nguồn được

sử dụng trong hệ thống là nguồn 5V được lấy thông qua công USB

Khối cảm biến encoder: cảm nhận các tín hiệu từ khối lượng đo được và chuyển nó thành tín hiệu điện, độ chính xác có tốt hay không phần lớn là từ cảm biến, cảm biến cần đặt ôn định đề có thể hoạt động một cách hiệu quả nhất

Khối vi xử lí: Xử lý tín hiệu từ encoder chuyên đôi thành đữ liệu tốc độ động cơ Khối động cơ: Quay đề tạo ra tốc độ

Khối hiến thị: nhiệm vụ chuyên đổi tín hiệu đo được thành dạng thông tín có thé

đọc được và hiển thị cho người sử dụng Đối với các thiết bị đo điện, nó có thể là một màn hình LCD

2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch

Bảng Ì: Các linh kiện sử dụng trong mạch

So

STT Tén linh kién Linh kién Thông số

lượng

LCD 16x2 xanh

la

6 Nguồn tô ong 12y—-5A 1

Arduino UNO R3 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực học lập trình, điều khiển

thiết bị và thử nghiệm dự án điện tử, Arduino UNO R3 là lựa chọn ưa chuộng với tính đơn giản, khả năng mở rộng và sự hỗ trợ đồng đội lớn từ cộng đồng Arduino

Cấu trúc tông quát của Arduino uno:

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quát Thông số kỹ thuật:

- Vi điều khiến: ATmepga328 họ 8bit

- Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ được cấp qua công USB)

- Tân số hoạt động: l6MHz

- Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA

- 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 chan Analog: 6 (độ phân giải 10bit)

- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

2.3 Cam bién Encoder

Encoder là loại cảm biến vi tri, đưa ra thông tin về góc quay đưới dạng số mà không

- Tốc độ quay tối đa: 5000 vòng/phút

- Tần số điện áp ứng điện: 20K/giây

- Chiều dai cap tiêu chuẩn: 2m

- Kích thước: Kích thước thân encoder đường kính: 38mm, trục 6 x 13mm, dé trục: đày 5mm, đường kính 20mm, lỗ bắn vít: vít M3

- lỗ nằm trên đường tròn đường kính 30mm, 3 lỗ khác nằm trên đường tròn đường kính 28mm

2.3.1 Cau tạo

Hình 1.2 Cấu tạo của encoder