Thiết kế hệ thống con lắc ngược một bậc quay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Thiết kế hệ thống lắc ngược bậc quay Giáo Viên Hướng Dẫn: Ts Nguyễn Văn Trường Lớp: Cơ Điện Tử – K13 Sinh Viên Thực Hiện: Nguyễn Văn Đạt 2018602116 Nguyễn Thanh Hải 2018605193 Nguyễn Trung Hiếu 2018601596 Hà Nội - 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.2 Khóa: 13 Tên nhóm: N11 Họ tên thành viên: Nguyễn Văn Đạt 2018602116 Nguyễn Thanh Hải 2018605193 Nguyễn Trung Hiếu 2018601596 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu quay Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ - Xác định vấn đề - Thiết lập cấu trúc chức - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm phần mềm CAD và/hoặc vẽ phác Áp dụng công cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch tập lớn III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tập lớn theo thời gian quy định (từ ngày 25/03/2021 đến ngày 02/05/2021) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống điện tử tài liệu tham khảo Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA CƠ KHÍ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Văn Trường NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 MỤC LỤC Lời nói đầu .3 Chương 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 1.1 Phân tích Nhu cầu thị trường 1.1.1 Nhu cầu thị trường 1.1.2 Nhu cầu thực tế .4 1.2 Thiết lập danh sách yêu cầu .12 Chương 2: Thiết kế sơ 15 2.1 Xác định vấn đề .15 2.2 Thiết lập cấu trúc chức 16 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 18 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc 19 Chương 3: Thiết kế cụ thể .20 3.1 Xây dựng bước thiết kế cụ thể 20 3.1.1 Nhận diện phương án, xác định yêu cầu làm rõ ràng buộc không gian 20 3.1.2 Thiết kế điều khiển .20 3.1.3 Xác định phương án 23 3.1.4 Phát triển bố cục phận thực chức 24 3.1.5 Chọn bố cục sơ phù hợp .27 3.1.6 Tìm kiếm giải pháp cho chức phụ trợ 27 3.1.7 Checklist cho thiết kế cụ thể .29 3.2 Tích hợp hệ thống 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 PHỤ LỤC 33 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Danh mục hình ảnh Hình 1: Phiếu khảo sát số nhu cầu xe tự cân bằng(P1) .5 Hình 2: Phiếu khảo sát số nhu cầu xe tự cân bằng(P2) .6 Hình 3: Kết khảo sát(P1) Hình 4: Kết khảo sát(P2) Hình 5: Kết khảo sát(P3) Hình 6: Kết khảo sát(P4) Hình 7: Kết khảo sát(P5) Hình 8: Người dẫn sử dụng xe cân đời sống hàng ngày .9 Hình 9: Sơ đồ khối điểu khiển cân lắc ngược 22 Hình 10: Kết điều khiển lắc ngược 22 Hình 11: Động 25 Hình 12: Encoder 26 Hình 13: Arduino 26 Hình 14: Cầu H 27 Hình 15: Giá đỡ động .27 Hình 16: Ắc-quy 28 Hình 17: Bệ đỡ .28 Hình 18: Hệ thống tích hơp 30 Danh mục bảng biểu Bảng 1:Danh sách người tham gia khảo sát Bảng 2: Một số sản phẩm có thị trường 10 Bảng 3: Danh sách yêu cầu 12 Bảng 4: bảng concept 18 Bảng 5: Bảng lựa chọn giải pháp tốt .19 Bảng 6: Bảng chi tiết phận thực chức 23 Bảng 7: Bảng checklist 29 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Lời nói đầu Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật tốn điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống simo (single input multi output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… Thực đề tài “thiết kế mơ hình cân lắc ngược” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường đại học, cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật việt nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử… việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1PHÂN TÍCH NHU CẦU THỊ TRƯỜNG 1.1.1 Nhu cầu thị trường Mơ hình lắc ngược mơ hình điện tử tiêu biểu dùng để kiểm tra thuật tốn điều khiển Ngồi mơ hình lắc ngược cịn có nhiều ứng dụng sống Ta dễ dàng bắt gặp hình ảnh lắc ngược hệ thống tự cân bằng, xe tự cân bằng, điều khiển cân phóng tàu vũ trụ, Theo đề tài giao nhóm tiến hành phân tích nhu cầu thị trường xe tự cân bằng, sản phẩm tiêu biểu ứng dụng xe tự cân Trào lưu sử dụng xe tự cân thông minh tạo sốt thị trường Việt Nam , Hà Nội , HCM sau phát triển mạnh mẽ tỉnh , thành phố toàn quốc Với nhiều ưu điểm dễ sử dụng, không gây tiếng ồn, tạo cho bạn cảm giác lướt đi, xe tự cân trở thành trào lưu giới trẻ Bạn dễ dàng bắt gặp hình ảnh bạn trẻ sử dụng xe tự cân khu vui chơi, phố bộ, trung tâm thương mại, Với đặc điểm nước có dân số trẻ, động nên sản phẩm công nghệ xe tự cân đón nhận Hơn nước ta q trình cơng nghiệp hố, đại hố trọng phát triển khoa học, công nghệ xe tự cân sản phẩm tiêu biểu hệ thống tự cân bằng, sản phẩm sinh viên ngành kỹ thuật sử dụng để nghiên cứu, học tập Vì nhu cầu thị trường Việt Nam tương đối lớn Ngày cáng có nhiều sản phẩm xe tự cân mắt với nhiều mẫu mã, màu sắc khác 1.1.2 Nhu cầu thực tế Từ phân tích nhóm tiến hành khảo sát Phiếu khảo sát số nhu cầu xe tự cân Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Hình 1: Phiếu khảo sát số nhu cầu xe tự cân bằng(P1) Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Tuyến tính hóa hệ phương trình chuyển động lắc với cos α = 1, sin α = α , α2 = θ2 = − 𝑚𝐿2 α̈ + 𝑚𝑟𝑙θ̈ + 𝑚𝑔𝐿α = 0(1) (𝐽𝑜 + 𝑚𝑟 ) θ̈ − 𝑚𝑟𝐿α̈ = 𝑇1 − 𝐵𝑒𝑞 θ̈(2) Thực hiên biến đổi laplace (1) (2) ta có: − 𝑚𝐿2 α(s)𝑠 + 𝑚𝑟𝐿θ(s)𝑠 + 𝑚𝑔𝐿α(𝑠) = 0(3) (𝐽𝑜 + 𝑚𝑟 )θ(s)𝑠 − 𝑚𝑟𝐿α(s)𝑠 = 𝑇1 − 𝐵𝑒𝑞θ(s)𝑠 (4) Hàm truyền hệ thống theo góc lệch lắc (α): α(𝑠) 𝑟 = 4 𝑇𝑙 (3 𝐽𝑜𝐿 + 𝑚𝑟 𝐿 + 𝐵𝑒𝑞𝐿) 𝑠 − 𝐽𝑜𝑔 − 𝑚𝑔𝑟 − 𝐵𝑒𝑞𝑔 Hàm truyền hệ thống theo góc lệch ngang (θ): 𝐿𝑠 − 𝑔 θ(s) = 4 𝑇𝑙 (3 𝐽𝑜𝐿 + 𝑚𝑟 𝐿 + 𝐵𝑒𝑞𝐿) 𝑠 − (𝐽𝑜𝑔 − 𝑚𝑔𝑟 − 𝐵𝑒𝑞𝑔)𝑠 Sử dụng điều khiển PID Bô ̣ điều khiển PID bô ̣ điều khiển hồi tiếp vịng kín, kết hợp ba bơ ̣ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lê.̣ Nó có chức điều khiển ṭ hống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập không chọn thông số phù hợp 21 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 • P proportional : Khâu tỉ lệ • I integral : Khâu tích phân • D derivative : Khâu đạo hàm 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 Mô lắc ngược quay phần mềm Matlab Simulink Hình 9: Sơ đồ khối điểu khiển cân lắc ngược Hình 10: Kết điều khiển lắc ngược 22 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 3.1.3 Xác định phương án Xác định phận thực chức - Các phận thực chức chính: + Encoder + Motor + Cần quay + Con lắc + Mạch điều khiển Bảng 6: Bảng chi tiết phận thực chức Bộ Phận Chức Năng Đặc trưng Động Chuyển hố lượng từ Cơng suất P điện thành Tốc độ quay Momen tải Cảm biến vị trí lắc Đo góc lệch lắc so với Độ nhạy phương thẳng đứng, sau Sai số truyền tín hiệu đến khối xử Khả lọc nhiễu lý trung tâm Cảm biến đo tốc độ động Đo tốc độ động Độ nhạy truyền tín hiệu đến Sai số Cần quay Truyền chuyển động từ Vật liệu động đến lắc Kích thước Đường kính Mạch điều khiển Nhận tín hiệu từ cảm biến Là trung tâm xử lí tồn để truyền tới mạch cầu H hệ thống Mạch cầu H Điều khiển tốc độ chiều Là phận điều khiển trực quay động tiếp động 23 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 3.1.4 Phát triển bố cục phận thực chức 1.1.1 Con lắc - Khi thiết kế lắc ta chọn vật liệu nhôm phù hợp vì: + Giá thành rẻ + Dễ gia cơng + Nhẹ, không gỉ - Thông số kỹ thuật + Hình dạng: Thanh hình trụ + Chiều dài: 440mm + Đường kính: 12mm + Khối lượng: 200g 1.1.2 Cần quay - Giống phần lắc ta chọn vật liệu chế tạo thép - Thông số kỹ thuật: + Hình dạng: Thanh chữ L + Độ dày: 20mm + Kích thước lỗ để gắn động cơ: ø4 + Kích thước lỗ gắn cảm biến: ø25 + Khối lượng: 500g 1.1.3 Động - Khi chọn động nên chọn động DC tải trọng động phải tải nhỏ, trung bình Ngồi để đảm bảo mặt công thái học ta nên chọn loại động tích hợp cảm biến đo tốc độ - Tính chọn động Cơng suất động cơ: 𝑃= 𝑛𝑇 9.55 Trong : n tốc độ quay động (vòng/phút) T momen xoắn trục động (N.m) Với giả thiết giới hạn lực kéo tối đa 10N 𝑇 = 𝐹 = 10(𝑁 𝑚) 𝑛= 𝑣∗60 2𝜋𝑟 = 0.3∗0.6 2∗3.14∗0.02 = 143.3 (vòng/phút) 24 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Cơng suất động tính là: P=3(W) Động DC cấu chấp hành –điện,biến lượng thành chuyển động học Động chức truyền động mà cịn có chức phản hồi vị trí Qua tìm hiểu nhóm sinh viên lựa chọn động điện chiều, không hộp số:Động servo NISCA NF5475 encoder 200ppr Thông số kĩ thuật động cơ: - Điện áp 12-24V DC - Công suất 32W - Tốc độ 4500 vòng/phút - Encoder 200xung, kênh A B ,điện áp sử dụng 5V DC Hình 11: Động 25 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 1.1.4 Cảm biến - Cả cảm biến xác định vị trí lắc, đo tốc độ động ta dùng encoder, cảm biến đo tốc độ tích hợp sẵn động Hình 12: Encoder - Thơng số kĩ thuật + Điện áp 5V + Sai số 5% 1.1.5 Mạch điều khiển - Nhóm định chọn mạch điều khiển Arduino Mega2560 vì: + Giá thành rẻ + Có thể giao tiếp với matlab/simulink + Phổ biến, cộng động sử dụng Arduino đơng đảo Hình 13: Arduino 1.1.6 Mạch cơng suất - Nhóm chọn mạch cơng suất mạch cầu H mạch phổ biến giá thành rẻ, nguyên lý đơn giản 26 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Hình 14: Cầu H 3.1.5 Chọn bố cục sơ phù hợp Biến thể số lựa chọn để tiếp tục triển khai cải tiến rõ ràng thơng qua việc điều chỉnh hệ thống tích hợp chức 3.1.6 Tìm kiếm giải pháp cho chức phụ trợ 1.1.7 Giá gá động - Chức năng: Cố định động giúp hệ thống quay ổn định - Mô tả: Giá gá động cụm chi tiết gồm có phần đế để cố định động chân để cố định đế gá với bệ đỡ - Thông số kĩ thuật: + Vật liệu: Thép sơn cách điện + Chiều cao: 18 cm + Kích thước đế cố định: 20x20x2 cm Hình 15: Giá đỡ động 1.1.8 Nguồn - Nhóm sử dụng ắc quy 12V + Dễ dàng di chuyển, sử dụng nơi xa nguồn điện + Khối lượng ắc quy khiến hệ thống vững 27 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Hình 16: Ắc-quy 1.1.9 Bệ đỡ - Nhóm sử dụng vật liệu gỗ để chế tạo phận bệ đỡ vì: + Phổ biến + Cách điện, an toàn + Nhẹ, cứng - Thông số kỹ thuật + Chiều dài; 40cm + Chiều rộng: 40cm + Độ dày: cm Hình 17: Bệ đỡ 28 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 3.1.7 Checklist cho thiết kế cụ thể Bảng 7: Bảng checklist Chức Tiêu chí Mức độ hồn thành Kém Trung Tốt bình Chức -Thực chức xác định góc quay vị trí, xử lý tín hiệu, điều khiển tốc độ động đạt suất độ xác theo yêu cầu Chức phụ Khả hoạt đông thiết bị cấp nguồn Ngun tắc Đo vị trí góc quay điểu chỉnh vị trí làm việc lắc Tính ổn đinh tín hiệu góc quay từ cảm biến đên vi điều khiển xử lý tín hiệu điều chỉnh góc quay Bố cục tổng thể Độ bền cho phép khung thống chịu tải trọng 20N Tính ổn định hệ thống q trình hoạt động An tồn Phần giá, bệ đỡ đảm bảo cách điện Không gian làm việc hệ thống Công thái học Yếu tố gây nguy hiểm đến người dùng nhiệt điện, góc cạnh nhọn bo lại… Hình dạng, kiểu dáng, màu sắc ưa nhìn Vị trí xếp độ chắn liên kết hệ thống Sản xuất Giá thành Vật liệu sử dụng hệ kiểm soát chất thống lượng Kiểm tra định kỳ trình vận hành để đảm bảo chất lượng sản phẩm Các thiết bị có hoạt động Lắp ráp vận Lắp ráp đơn giản,chặt chẽ,gọn gàng chuyển Đảm bảo an toàn bảo mật vận chuyển, có sử dụng vật liệu chống va đập để giữ cho sản phẩm không bị hư hại 29 Thiết kế hệ thống điện tử Nhóm 19 Vận hành bồi dưỡng Tái chế Chi phí Lịch trình Hệ thống hoạt động dễ dàng, ổn định bền bỉ Bảo dưỡng định kỳ hệ thống(bộ phận xử lý tín hiệu, phận truyền động Sử dụng nhựa PE có khả tái chế Mạch vi xử lý motor có khả tái chế Chi phí thiết kế, sản xuất, lắp ráp, vận chuyển… nằm nguồn kinh phí cho phép.(