Xây dựng hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ sử dụng cảm biến enconder tương đối

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Xây dựng hệ thống đo điều khiển tốc độ động sử dụng cảm biến enconder tương đối Giáo viên hướng dẫn: ThS Phạm Tiến Hùng Sinh viên thực hiện: Nghiêm Văn Quý 2020608578 Nguyễn Xuân Phúc 2020608702 Nguyễn Văn Nam 2020608626 Hà Nội-2021 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Lịch sử nghiên cứu 2 Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Dự kiến kết CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Cấu tạo mơ hình Nguyên lý hoạt động .6 Phân tích lựa chọn thiết bị 3.1 Động 3.2 Encoder 13 Phân tích lựa chọn điều khiển 18 4.1 Arduino chip dán R3 18 4.2 MẠch cầu H-43ABTS1960 28 4.3 Các linh kiện điện tử khác 30 CHƯƠNG III CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 31 Tổng quan mơ hình .31 Chế tạo phận khí 32 Lưu đồ thuật toán 33 Chương trình điều khiển .34 Thử nghiệm đánh giá hệ thống 36 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1- Giao diện điều khiển Control Ardunio App Hình 2- Sơ đồ khối mơ hình Hình Động tích hợp encoder Hình Pha Hình Pha 10 Hình Pha 10 Hình Chuyển động động 10 Hình Sơ đồ động encoder 11 Hình 9- Động khơng tích hợp Encoder 12 Hình 10 Cấu tạo encoder 14 Hình 11 Hình minh họa encoder 15 Hình 12 Tính tốc độ động trường hợp thứ 17 Hình 13 Tính tốc độ động trường hợp thứ 18 Hình 14-Bo mạch Arduino R3 19 Hình 15- Thiết kế nguồn 23 Hình 16- Thiết kế mạch dao động .25 Hình 17- Thiết kế mạch reset 26 Hình 18-Thiết kế mạch nạp 27 Hình 19-Vị trí chân 27 Hình 20- Bo mạch cầu Mạch cầu H - BTS7960 43A 28 Hình 21 Mơ hình hồn thiện 31 Hình 22 Giá đỡ encoder động .32 Hình 23 Lưu đồ thuật toán điều khiển 33 Hình 24 Cấu hình vi điều khiển phầm mềm Visual Studio 34 Hình 25 Arduino IDE 35 Hình 26-Control Arduino App 36 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-Bảng thiết bị Bảng 2- Thông số kỹ thuật Bảng 3- Bảng linh kiện điện tử .30 LỜI NÓI ĐẦU Trong trình sản xuất đại, đo tốc độ động việc làm khơng thể thiếu, giúp cho trình giám sát sản xuất nhanh hơn, tốt hơn,cho sản phẩm ý, xác Nếu ta khơng đo tốc độ động khơng thể điều khiển tốc độ xác Với máy móc đại ngày nay, q trình sản xuất chạy với nhiềutốc độ khác nhau, tùy theo giai đoạn làm việc nó, mà tacần phải biết tốc độ động để điều chỉnh cho phù hợp.Từ lâu người nghiên cứu chế tạo máy đo tốc độ sử dụng rộng rãi Trong hệ truyền động kinh điển người ta dùng máy phát tốc đo tốc độ động cơ, máy phát tốc chiều hay xoay chiều thực chất máy phát điện cơng suất nhỏ, có suất điện động tỷ lệ với tốc độ cần đo Về sau sản xuất công nghiệp ngày phát triểnhiện đại người ta bắt đầu nghiên cứu cho đời máy đo tốc độ có độ xác cao máy đo góc tuyệt đối, máy đo sử dụng cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã … Trong đề tài đồ án môn “Xây dựng hệ thống đo điều khiển tốc độ động sử dụng cảm biến encoder tương đối” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn, thiết kế mơ hình Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Để báo cáo hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy cô Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Khoa Cơ khí nói chung thầy nghành Cơ điện tử nói riêng nhiệt tình hướng dẫn đồ án mơn cho chúng em Hà Nội, Ngày tháng 05 năm 2021 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Lịch sử nghiên cứu Thế giới có thách thức lớn, biến đổi lớn kinh tế xã hội, tiến khoa học công nghệ, thách thức biến đổi khí hậu Sự xác trở thành tiêu chí quan trọng giới công nghệ 4.0 Ở Việt Nam, vấn đề an tồn, xác ngày trở nên quan trọng đặc biệt quan trọng thành phố lớn, với dự án lớn Vì tình hình nghiên cứu máy móc, hệ thống có độ xác an tồn cao ngày phát triển vơ mạnh mẽ quan tâm nước phát triển phát triển toàn giới Theo thời gian phát triển công nghệ, người cải tiến thiết bị đo tốc mình, từ thước đo tốc thơ sơ phát triển từ năm trăm năm trước lại sáng tạo thiết bị đại sử dụng điện để đo tốc độ cách xác tuyệt đối có ứng dụng đa dạng nhiều máy móc cơng nghiệp đại Ngày có nhiều quy trình cơng nghiệp sử dụng thiết bị máy mọc công nghệ cao, đại cỗ máy thiếu cảm biến đo tốc độ Cảm biến đo tốc độ không giúp đo tốc độ mà có nhiều ứng dụng khác điển cảnh báo tốc độ giới hạn Trong cơng nghiệp có trường hợp cần đến đo tốc độ máy người ta thường theo dõi tốc độ máy lý an toàn để khống chế điều kiện đặt trước cho hoạt động máy móc thiết bị Sơ lược hệ thống đo tốc độ Hệ thống đo tốc độ thiết bị bao gồm tập hợp phận cấu thành có nhiệm vụ đo tốc độ cảnh báo giới hạn đo giới hạn quy định Ngày đa phần hệ thống máy móc cơng nghiệp sử dụng thiết bị Mục tiêu đề tài - Điều khiển tốc độ động điện chiều núm xoay, Winform PC - Đo tốc độ động - Hiển thị tốc độ theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn mức tốc độ để đưa cảnh báo giá trị mức vượt khoảng cho phép Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Dựa vào kiến thức học, tìm hiểu qua internet, sách tham khảo ý kiến bạn bè, thầy - Tìm hiểu hệ thống đo tốc độ thực tế phổ biến để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu - Tìm hiểu phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển chương trình điều khiển - Tìm hiểu phần mền lập trình để hỗ trợ như:Visual Studio, STM, Altium desginer, Keil uVision5 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Thực hoàn thiện thành phần hệ thống: phận cảm biến, phận hiển thị số liệu tốc độ, hiển thị đèn cảnh báo giới hạn , phận nhập tốc độ giới hạn , phận vi điều khiển - Mơ hình hóa, tính tốn thiết kế mơ hình khí cho hệ thống đảm bảo độ xác độ bền cần thiết đáp ứng nhu cầu hệ thống -Sử dụng phần mềm STM thiết lập chương trình điều khiển - Kiểm tra chương trình code cho hệ cho hệ thống điều khiển - Tính tốn, thiết kế nghiên cứu độ an tồn độ xác hệ thống để lựa chọn thiết bị phù hợp như: Động điện chiều, … - Cho hệ thống hoạt động chỉnh sửa chi tiết chưa phù hợp Dự kiến kết Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu động có gắn sẵn encoder, động khơng gắn encoder , Arduino Uno R3 chíp dán, điều chỉnh tốc độ L298, PWM thông qua kiến thức học, tìm hiểu tài liệu thư viện sách, mạng internet - Cơ sở tính tốn, liên kết điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học mơ hình mơ để đưa hệ thống hoàn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế tạo mơ hình hệ thống Giới hạn nghiên cứu -Kích thước đưới dạng mơ hình thực nghiệm -Tốc độ động từ đến 1500v/p - Cơng suất động 10W có điện áp động 12VDC -Encoder tương đối có độ phân giải lớn 100 xung/vòng -Bộ điều khiển vi xử lý Arduino Uno R3 chíp dán Ý nghĩa thực tiễn Hệ thống đo tốc độ cảm biến encoder tương đối điều khiển tốc độ PWM đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao phát triển khoa học, công nghệ Nhằm mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị công nghiệp thiết bị công nghệ đời sống hiệu tạo tính an tồn cho người lao động, động lực để nhóm em tìm hiểu có thêm nhiều hiểu biết cách điều khiển, thiết kế chế tạo hệ thống tối ưu đáp ứng đủ yêu cầu đưa Kết luận Giới thiệu hệ thống đo điều chỉnh tốc độ sử dụng cảm biến encoder tương đối, trình phát triển, phạm vi giới hạn đề tài nghiên cứu Đây phần phần thể quan trọng hệ thống máy móc đời sống Qua đó, hiểu thêm nhiều điều thiết kế , chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển, cách giải vấn đề ứng dụng vào đồ án sau CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Cấu tạo mơ hình Bảng 1-Bảng thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Encoder tương đối 600 xung/vòng Động DC Motor 775 Bộ điều khiển Arduino Uno R3 chíp dán Hiển thị thơng tin Ứng dụng Winform PC Phím chức nhập liệu Ứng dụng Winform PC Mạch điều khiển động Mạch cầu H-43A BTS7960 Tín hiệu cảnh báo Đèn, Ứng dụng Winform PC Nguồn Nguồn tổ ong 12v 15A Đặc tính kỹ thuật Bảng 2- Thông số kỹ thuật Thông số Giá trị Điện áp hoạt động Max 12VDC Dòng điện tiêu thụ Max 10A Giới hạn 6000 vòng/Phút Cấu tạo Khối nguồn Nguồn tổ ong biến đổi điện áp từ 220V AC 12V DC Mạch cầu H-43A BTS7960 biến đổi nguồn 12V 3-4.5V Khối hiển thị Màn hình Winform PC giúp thị tốc độ đọng giới hạn Led/ứng dụng Winform PC giúp cảnh báo tốc độ nằm khoảng giá trị Khối điều khiển Arduino Uno R3 chíp dán MCU điều khiển hệ thống nhận tín hiệu từ encoder động cơ, đưa liệu LCD/PC, băm xung PWM cho driver động Mạch cầu H-43ABTS1960 tạo dead time, chống nhiệt, áp, dòng, sụt áp ngắn mạch Winform PC để nhập giá trị giới hạn tốc độ động Khối đo Encoder tương đối dùng để đo tốc độ động Khối cấu chấp hành: Động tạo chuyển động quay để đo tốc độ Nguyên lý hoạt động Nguồn tổ ong biến đổi điện áp từ 220V xoay chiều 12V chiều cung cấp cho Mạch cầu H-43ABTS1960 Mạch cầu H-43ABTS1960 nhận điện áp 12V từ nguồn tổ ong sau chuyển đổi điện áp từ 12V 4,8V để cấp nguồn cho Arduino Uno R3 chíp dán Mạch cầu H-43ABTS1960 nhận truyền thông tin để điều khiển hệ thống, cấp nguồn cho LCD, ENCODER, VR else { txt_CurRpm.BackColor = Color.White; lb_PopUp.Text = ""; } } // ******************************************************* // Counter round timer private void StopWatch_Tick(object sender, EventArgs e) { new Thread(() => { txt_StopWatch.Text = intMinute.ToString(); if (intMinute == 0) { StopWatch.Stop(); txt_StopWatch.Text = "59"; intRPM_New = int.Parse(txt_CurRevolutionCnt.Text); intRPM_Out = intRPM_New - intRPM_Old; txt_RPMOut.Text = intRPM_Out.ToString(); } intMinute ; }) { IsBackground = true }.Start(); } private void btn_Connect_Click(object sender, EventArgs e) { // ******************************************************* // Check Port's parameter if (cb_Gate.Text == "Chose here" && cb_Baurate.Text == "Chose here") { MessageBox.Show("Please! choose Gate and BaudRate\n then click Apply again", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } else if (cb_Gate.Text == "Chose here" || cb_Baurate.Text == "Chose here") { if (cb_Gate.Text == "Chose here") { MessageBox.Show("Please! choose Gate\n then click Apply again", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } if (cb_Baurate.Text == "Chose here") { MessageBox.Show("Please! choose BaudRate\n then click Apply again", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } } else { // Open the Port if (!serialPort.IsOpen) { // ******************************************************* // Setting Port's parameter serialPort.PortName = cb_Gate.Text; serialPort.BaudRate = int.Parse(cb_Baurate.Text); // ******************************************************* try { serialPort.Open(); } catch { MessageBox.Show("Please! Connect the caple", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } if (serialPort.IsOpen) { btn_Connect.BackColor = Color.Orange; 10 btn_Connect.Text = ("Disconnect!"); lb_ConnectionStatus.Text = ("Connected!"); lb_ConnectionStatus.ForeColor = Color.Black; } } // Close the Port else if (serialPort.IsOpen) { serialPort.Close(); // ******************************************************* // Popup Status Disconnect if (!serialPort.IsOpen) { btn_Connect.BackColor = Color.Green; btn_Connect.Text = ("Connect!"); lb_ConnectionStatus.Text = ("DisConnected!"); lb_ConnectionStatus.ForeColor = Color.Black; // ******************************************************* // reset data txt_CurRpm.Text = ""; txt_CurPositon.Text = ""; txt_CurDegree.Text = ""; txt_CurDirection.Text = ""; txt_CurRevolutionCnt.Text = ""; 11 } } } } private void btn_Apply_Click(object sender, EventArgs e) { // ******************************************************* // Handling RPM limit if (txt_RpmLimit.Text != "") { if (IsNumeric(txt_RpmLimit.Text) == true) { // ******************************************************* // Get value intRPM_Limit = int.Parse(txt_RpmLimit.Text); if ((intRPM_Limit < 0)) { MessageBox.Show("RpmLimit isn't suitable'", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning); "Warning", } } else { 12 txt_RpmLimit.Text = ""; MessageBox.Show("Please! Input number'", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning); "Warning", } } } // ******************************************************* //Control Button private void btn_SpeedUp_Click(object sender, EventArgs e) { SendtoArduino(strChar[0]); } private void btn_SpeedDown_Click(object sender, EventArgs e) { SendtoArduino(strChar[1]); } private void btn_Normal_Click(object sender, EventArgs e) { if (bReverse_Click == false || intRpm_Compare ==0 ) { SendtoArduino(strChar[2]); bNormal_Click = true; } 13 else { MessageBox.Show("Please! Stop motor before changing direction", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } } private void btn_Reverse_Click(object sender, EventArgs e) { if (bNormal_Click == false || intRpm_Compare == 0) { SendtoArduino(strChar[3]); bReverse_Click = true; } else { MessageBox.Show("Please! Stop motor before changing direction", "Information", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); } } private void btn_Stop_Click(object sender, EventArgs e) { SendtoArduino(strChar[4]); bNormal_Click = false; bReverse_Click = false; } 14 // ******************************************************* // Start StopWatch 60 seconds private void btn_StopWatchStart_Click(object sender, EventArgs e) { intMinute = int.Parse(txt_StopWatch.Text); StopWatch.Enabled = true; StopWatch.Start(); intRPM_Old = int.Parse(txt_CurRevolutionCnt.Text); } } } • Arduino IDE #define encoderPinA #define encoderPinB #define AnalogOut1 #define AnalogOut2 #define LEDOUT //***************************************** //Int int intCurPosition = 0; int intEncPos = 0; int intNewpos = 0; int intOldpos = 0; int intCurRpm = 0; int intSpeedtomotor = 0; 15 int intCurSpeedtomotor = 0; int intRound_count = 0; int intNewTime = 0; int intOldTime = 0; //***************************************** //String String strCurDir = ""; String strRecived = ""; //**************************************************** //Char //**************************************************** //Process void setup() { // initialize digital pinMode(AnalogOut1, OUTPUT); pinMode(AnalogOut2, OUTPUT); pinMode(LEDOUT, OUTPUT); pinMode(encoderPinA, INPUT_PULLUP); pinMode(encoderPinB, INPUT_PULLUP); //Value Interrupt(Pin) attachInterrupt(0, doEncoderA, FALLING); //Serial Port Serial.begin(9600); } void loop() 16 { Motorcontrol(); } //**************************************************** void Motorcontrol() { LedBlink(); Data_Motor(); delay (200); if (Serial.available() > 0) { strRecived = String((char)Serial.read()); } if (strRecived == "N" || strRecived == "R") { strCurDir = strRecived; } if (strRecived == "S") { if (strCurDir == "N") { for(int i=intCurSpeedtomotor; i>0; i=i-5) { 17 analogWrite(AnalogOut2, 0); analogWrite(AnalogOut1, i); LedBlink(); Data_Motor(); delay(200); } intCurSpeedtomotor = 0; intSpeedtomotor = 0; } else if (strCurDir == "R") { for(int i=intCurSpeedtomotor; i>0; i=i-5) { analogWrite(AnalogOut1, 0); analogWrite(AnalogOut2, i); LedBlink(); Data_Motor(); delay(200); } intCurSpeedtomotor = 0; intSpeedtomotor = 0; } } else { 18 if (strCurDir == "N") { if (strRecived == "U") { intSpeedtomotor = intSpeedtomotor + 5; } if (strRecived == "D") { intSpeedtomotor = intSpeedtomotor - 5; } if (intSpeedtomotor >= 255) { intSpeedtomotor = 255; } if (intSpeedtomotor = 255) { intSpeedtomotor = 255; } if (intSpeedtomotor 0) 20 { strRecived = String((char)Serial.read()); } if (strRecived == "L") { digitalWrite(LEDOUT, HIGH); } else { digitalWrite(LEDOUT, LOW); } } void Data_Motor() { intNewpos = intEncPos; detachInterrupt(0); intCurRpm = (intNewpos-intOldpos)*0.5; Serial.println(intCurPosition+String(",")+abs(intCurRpm)+String(",")+intRou nd_count); intOldpos=intNewpos; attachInterrupt(0, doEncoderA, FALLING); } void doEncoderA() 21 { if(digitalRead(encoderPinB) == LOW) { intEncPos ; intCurPosition ; if(intCurPosition == -600) { intCurPosition = 0; intRound_count ++; } } else if(digitalRead(encoderPinB) == HIGH) { intEncPos++; intCurPosition++; if(intCurPosition == 600) { intCurPosition = 0; intRound_count ++; } } } //**************************************************** 22 ... đầu nghiên cứu cho đời máy đo tốc độ có độ xác cao máy đo góc tuyệt đối, máy đo sử dụng cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã … Trong đề tài đồ án môn “Xây dựng hệ thống đo điều khiển tốc độ động... khơng thể thiếu cảm biến đo tốc độ Cảm biến đo tốc độ không giúp đo tốc độ mà có nhiều ứng dụng khác điển cảnh báo tốc độ giới hạn Trong cơng nghiệp có trường hợp cần đến đo tốc độ máy người ta... hoạt động máy móc thiết bị Sơ lược hệ thống đo tốc độ Hệ thống đo tốc độ thiết bị bao gồm tập hợp phận cấu thành có nhiệm vụ đo tốc độ cảnh báo giới hạn đo giới hạn quy định Ngày đa phần hệ thống