b) Xây dựng cấu chúc chức năng
2.4. Lựa chọn cấu trúc làm việc
Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc
Giải Pháp Yêu cầu Kích thước Vật liệu cần quay Motor Bệ đỡ Con lắc 24
Vi điều khiển Encoder
Nguồn Màn hình hiển thị
Thuật toán điều khiển Giá thành
Tổng
Xếp hạng
Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 1 có số điểm đánh giá cáo nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất. Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 1 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra. Biến thể 1 do đó đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1. Xây dựng các bước thiết kế cụ thể
3.1.1. Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu
- Phần Hình học
+ Đảm bảo kích thước theo danh sách yêu cầu
+ Đảm bảo an toàn, công thái học và tính thẩm mỹ
+ Chịu va đập tốt, chống rỉ sét, cách điện
+ Đảm bảo về độ bền khi chịu lực
+ Đảm bảo về các tiêu chí an toàn khi vận hành
+ Chế tạo chính xác, tháo lắp dễ dàng
+ Vật liệu chế tạo thân thiện với môi trường, giá thành hợp lí -Phần lõi và năng lượng
+ Hoạt động êm, tiếng ồn và độ rung nhỏ
+ Đảm bảo tốc độ của động cơ
+ Tính chọn encoder phù hợp với yêu cầu
+ Đảm bảo cung cấp đủ điện cho hệ thống
+ Đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu
+ Giữ được thăng bằng
+ Có khả năng điều chỉnh
-Các yêu cầu ràng buộc khác của hệ thống
+ Sai số của các chi tiết trong dung sai cho phép
+ Tối giản thiết kế hệ thống, dễ dàng bảo trì thay thế
+ Đảm bảo tiêu chí về giá thành sản phẩm 26
3.1.2. Xác định điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức của thiết kế cụ thể- Bệ đứng - Bệ đứng + Kích thước Chiều dài: 20-25 cm Chiều rộng: 15-20 cm Chiều cao: 20-25 cm
Độ bền cho phép: chịu đc tải trong 20N Độ cứng: 0.2-0.25 N/mm2
Độ biến dạng cho phép: 45 Mpa -Dung sai cho phép: 1mm Vật liệu: Thép không gỉ -Con lắc
Chiều dài con lắc: 15-25 cm Đường kính con lắc: 0,5-1cm
Chiều dài cần quay cân bằng: 25-30cm Đường kính cần quay 0,5-1 cm
Góc giữa trục cần quay và con lắc = 90 độ Vật liệu: Nhôm
-Phần lõi và năng lượng Công suất động cơ: 35w
Vi điều Khiển: Arduino Uno R3 Encorder: OMRON 1000 xung/vòng Màn hình: LCD
Nguồn : 12V
27
3.1.3. Xác định các layout thô- xác định các bộ phận thực hiệnchức năng chính Bảng 3.1: Xác định layout thô chức năng chính Bảng 3.1: Xác định layout thô
Nhóm 3 Cơ khí
Điện- Điện tử
28
3.2. Xây dựng check list cụ thể
Bảng 3.2: Xây dựng check list cụ thể
Danh sách
Chức năng
Nguyên tắc làm việc
Bố cục
An toàn
Công thái học
Sản xuất
Kiểm tra chất lượng
3.3. Phân tích các bước xây dựng thiế kế cụ thể
3.3.1. Nhận diện phương án, xác định các yêu cầu và làm rõ các ràng buộc về không gian - Bệ đứng + Kích thước Chiều dài: 20cm Chiều rộng: 17 cm Chiều cao: 20cm
Dung sai cho phép: 1mm Vật liệu: Nhôm
-Con lắc, Cần quay cân bằng
30
Chiều dài con lắc: 15cm Đường kính con lắc: 0.6cm
Chiều dài cần quay cân bằng: 30 cm Đường kính cần quay 1cm
Vật liệu: Nhôm
-Phần lõi và năng lượng Công suất động cơ: 35w
Vi điều Khiển: Arduino Uno R3
Encorder: Omron E6B2-CWZ6C 1000 xung/vòng Nguồn : 12V
3.3.2. Xác định phương án - Xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính
Các bộ phận thực hiện chức năng chính: -Encoder: Sử dụng Omron E6B2-CWZ6C
Hình 3.1: Encoder Omron E6B2-CWZ6C
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp sử dụng: 5~24VDC.
31
• Dòng tiêu thụ: max 80mA
• Số xung: 1000 xung / 1 vòng (1000 p/r)
• Số kênh xung: 3 kênh xung riêng biệt A, B, Z.
• Tần số đáp ứng tối đa: 100Khz
• Đường kính trục: 6mm
• Đường kính thân: 40mm
-Motor: Sử dụng motor Planet RS775
Hình 3.2: Motor Planet Rs775
Thông số kỹ thuật
• Tốc độ đầu trục: 200RPM tại điện áp 12V
• Công suất:35W
32
Hình 3.3: Bản vẽ chi tiết Motor Các bộ phận thực hiện chức năng chính khác là:
-Bộ nguồn: sử dụng bộ đổi nguồn 220V - 12V.
Hình 3.4: Bộ đổi nguồn
-Bộ điều khiển Arduino
33
Board mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu
hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Hình 3.5: Bo mạch ARDUINO UNO R3
-Vi điều khiển
34
Hình 3.6: Vi điều khiển
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Ngoài ra,Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
-Thuật toán điều khiển: Sử dụng bộ PID
Bô ̣điều khiển PID là bô ̣điều khiển hồi tiếp vòng kín, kết hợp ba bô ̣điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lê. ̣Nó có chức năng điều khiển hê thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập bằng không nếu chọn thông số phù hợp.
35
Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán PID
Biểu thức bộ điều khiển PID:
()= ()+ ∫ ()
0
Trong đó: Kp: Hệ số tỉ lệ Kd: Độ lợi vi phân Ki: độ lợi tích phân
Bảng 3.3: Tác động của việc tăng một thông số độc lập Thông số Kp Ki Kd -Mạch công suất
Mạch công suất sử dụng L298N để điều khiển động cơ DC với mạch cầu H sử dụng 4 diode IN5822 .
Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp . Ưu và nhược điểm của cầu H : Ưu điểm : Mạch cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản và tiết kiệm chi phí .
Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nữa cầu thì sẽ mạch động lực bị ngắn mạch nguồn . Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn ( quá độ ) sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van . Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài , dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất . Tức là mạch không có bảo vệ dòng và áp .
37
Hình 3.8: Module L298N
Thông số IC L298N
• Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
• Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V
• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)
• Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
• Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃
-Module hạ áp 5v
Chuyển từ nguồn 12V DC sang 5V DC cấp cho vi điều khiển và mạch công suất
Hình 3.9: Module LM2596
Thông số kỹ thuật:
• Nguồn đầu vào từ 4V - 35V.
• Nguồn đầu ra: 1V - 30V.
• Dòng ra Max: 3A
• Kích thước mạch: 53mm x 26mm
• Đầu vào: INPUT +, INPUT-
• Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-
-Màn hình LCD
39
Hình 3.10: Màn hình LCD
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp hoạt động: 5V.
• Kích thước: 80x36x12,5 mm.
• Có thể được điều chỉnh với 6 dây tín hiệu.
• VSS: cực âm nguồn cho LCD - GND: 0V.
• VDD: cực dương nguồn LCD - 5V.
• Contrast control (VEE): điều khiển độ sáng màn hình.
• Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi.
40
• RS=0 chọn thanh ghi lệnh.
• RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu.
• Read/Write (R/W).
• (R/W)=0 ghi dữ liệu.
• (R/W)=1 đọc dữ liệu.
• Enable: Cho phép ghi vào LCD.
• D0 – D7: 8 chân trao đổi dữ liệu với các vi điều khiển, với 2 chế độ sử dụng.
• Chế độ 8 bit: dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
• Chế độ 4 bit: dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 đến DB7, bit MSB là DB7.
• Blacklight (blacklight anode (+) và Blacklight Cathode (-) ): Tắt bật dèn màn hình LCD.
-Con lắc Vật liệu: nhôm
41
Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết con lắc
-Bệ đỡ
Vật liệu: thép không gỉ
42
Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ
-Cần quay cân bằng Vật liệu: nhôm
Hình 3.13: Bản vẽ chi tiết cân quay cân bằng
43
3.4. Tích hợp hệ thống
3.4.1. Lưu đồ giải thuật hệ thống
Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán
44
3.4.2. Sơ đồ mạch điện-điện tử
Hình 3.15: Sơ đồ mạch điện-điện tử 3.4.3. Phác thảo hệ thống
Hình 3.16: Phác thảo hệ thống
45
PHỤ LỤC
46
47
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Sách, giáo trình chính:
[1] Bộ môn Cơ điện tử, Đề cương bài giảng môn thiết kế hệ thống cơ điện tử, ĐHCNHN.
- Sách, tài liệu tham khảo:
[2] Robert H. Bishop (2007), The mechatronics handbook cơ điện tử, NXB đại học quốc gia Hà Nội.
[3] G. Pahl, W. Beitz (2008), Engineering design, Springer.
48