Hình 2.1: Chức năng tổng thể b) Xây dựng cấu chúc chức năng
23
2.3.Phát triển cấu trúc làm việc
Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc
Giải Pháp
Yêu cầu
1 2 3
Kích thước
Chiều dài con lắc 10-15 cm Đường kính con lắc 0.5-1cm Chiều dài cần quay cân bằng 25- 30 cm Đường kính cần quay 0,5-1 cm Bệ đỡ hình chữ nhật 20-25x15- 20cm Cao 20-25 cm
Chiều dài con lắc 15-20 cm Đường kính con
lắc 1-1,5 cm Chiều dài cần quay cân bằng 30-35 cm Đường kính cần quay 1-1.5 cm Bệ đỡ hình tròn bán kính 20 cm Cao 20-25cn
Chiều dài con lắc 20-25 cm Đường kính con lắc 1.5-2 cm Chiều dài cần quay cân bằng 35- 40 cm Đường kính cần quay 1.5-2 cm Bệ đỡ hình chữ nhật 15-20x15-20 cm Cao 20-25cm
Vật liệu cần quay Nhôm Gang Thép
Motor Tốc độ: 1000v/p
Công suất: 35W Tốc độ: 1200v/p Công suất: 40W Công suất: 45W Tốc độ: 800v/p
Bệ đỡ Gang Nhựa PE Nhựa PVP
Con lắc Nhôm Thép Inox
24 Encoder OMRON 1000 xung/vòng HanYoung 1000 Xung/vòng Autonics 1000 xung/vòng Nguồn 12V 15V 24V Màn hình hiển thị LCD Không LCD
Thuật toán điều
khiển PID LQR Puzzy
Giá thành $100 $125 $150
2.4.Lựa chọn cấu trúc làm việc
Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc
Giải Pháp Yêu cầu 1 2 3 Tính năng Kích thước 1 1 1 Nhỏ nhẹ, phù hợp với thực tế Vật liệu cần quay 1 1 1 Rẻ, bền, chắc chắn Motor 1 1 1 Khỏe, ổn định Bệ đỡ 1 0 0 Chắc chắn, cách điện Con lắc 1 1 0 Thẳng, dài, trọng lượng nhẹ
25 Vi điều khiển 1 1 0 Xử lí chính xác, nhanh, ổn định Encoder 1 1 0 Đo góc chính xác Nguồn 1 0 0 Phù hợp với công suất Màn hình hiển thị 1 1 1 Rõ nét, dễ nhìn
Thuật toán điều
khiển 1 1 0
Giảm độ vọt lố
Giá thành 1 1 0 Rẻ
Tổng 10 9 4
Xếp hạng 1 2 3
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.
26
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 - 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
27
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
28
3.1.3. Xác định các layout thô- xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính
Bảng 3.1: Xác định layout thô
Nhóm 3 Bộ phận Chức năng Nét đặc trưng Cơ khí Bệ đỡ Chịu lực, là bộ khung nâng đỡ tất cả bộ phận của hệ thống Con lắc
Cần quay cân bằng Dẫn động cho hệ thống
Là cơ cấu dẫn động của hệ thống
Điện- Điện tử Động cơ Điều khiển vị trí
con lắc Bộ phận xử lý tín hiệu Xử lý tín hiệu được gửi đến và gửi tín hiệu để điều khiển động cơ
Là trung tâm xử lý tín hiệu của toàn bộ hệ thông
Encoder Đo vị trí góc quay
Màn LCD Hiển thị vị trí con lắc
29
3.2. Xây dựng check list cụ thể
Bảng 3.2: Xây dựng check list cụ thể
Danh sách Nội dung
Mức độ đánh giá Tốt Vừa phải Kém Rất kém Chức năng Chức năng chính
+ Vỏ: tạo kết cấu cho sản phẩm, bảo vệ động cơ và các linh kiện điện tử bên trong
+ Bộ phận cảm biến: quét các thông số tốc độ, góc nghiêng
+ Bộ điều khiển: xử lí tín hiệu + Encoder: đo góc quay
+ Động cơ: Điều khiển vị trí con lắc Chức năng phụ: màn hình hiển thị, công tắc
Nguyên tắc làm việc
Đo vị trí góc quay và điểu chỉnh vị trí con lắc.
Bố cục Bố cục tổng thể hệ thống:
+Độ bền cho phép: chịu được tải trọng 20N
+Độ cứng: 0,2-0,25 N/mm2 +Độ biến dạng cho phép: 45 Mpa
30
An toàn Đã xử lý được vấn đề an toàn điện, nhiệt.
Công thái học Kiểm soát được các yếu tố nguy hiểm đến người dung như nhiệt, điện, va chạm,..
Thiết kế vỏ an toàn cho người dung (bo góc, bo các cạnh sắc, tua rua thừa )
Kiểu dáng, màu sắc hiện đại, thời thượng phù hợp đa số người dung. Sản xuất Sử dụng vật liệu có giá thành không
quá cao, phù hợp với môi trường. Chi phí rẻ, tiết kiệm.
Kiểm tra chất lượng
Tiến hành kiểm tra định kì trong quá trình vận hành để đảm bảo chất lượng sản phẩm
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
31 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:
32 • 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
33
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
34
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
35
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.
36 Biểu thức bộ điều khiển PID:
Trong đó: Kp: Hệ số tỉ lệ Kd: Độ lợi vi phân 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 0 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡
Ki: độ lợi tích phân
37
Bảng 3.3: Tác động của việc tăng một thông số độc lập
Thông số
Thời gian khởi động
Quá độ Thời gian
xác lập
Sai số ổn định Độ ổn
định
Kp Giảm Tăng Thay đổi
nhỏ
Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết
không tác động Cải thiện nếu Kd nhỏ -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 .
38
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
39
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-
40 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.
41 • 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
42
Hình 3.11: Bản vẽ chi tiết con lắc
-Bệ đỡ
43
Hình 3.12: Bản vẽ chi tiết bệ đỡ
-Cần quay cân bằng Vật liệu: nhôm
44
3.4. Tích hợp hệ thống
3.4.1.Lưu đồ giải thuật hệ thống
45 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
46
48
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.