44
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
răng-bánh răng… Khi động cơ bước quay, thông qua bộ truyền đai răng,, lưỡi dao chuyển động tịnh tiến thực hiện cắt, tuốt vỏ.
- Ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản, dễ gia công và lắp ráp. + Chi phí thấp.
- Nhược điểm:
+ Lực cắt khơng đều, tuy nhiên với vật liệu mềm thì ảnh hưởng của yếu tố này không đáng kể.
3.3.2 Phương án 2:Cả hai lưỡi dao cùng chuyển động thực hiên chuyển động cắt.
Trong trường hợp này, tương tự như phương án 1, ở đây ta dùng 1 nối trục và ở bợ truyền vít me, để nói 2 trục vít me hướng ngược chiều răng với nhau. Chuyển động tịnh tiến và ngược chiều của 2 lưỡi dao được tạo thành nhờ cơ cấu biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, như cơ cấu vítme đai ốc, do răng ngược chiều nhau.
- ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản, dễ gia cơng và lắp ráp. + Chi phí thấp.
- Nhược điểm: + Lực cắt đều.
3.4 Phương án truyền động cho máy
3.4.1 Động cơ
a) Động cơ một chiều (DC Motor)
- Ưu điểm:
+ Momen khởi động lớn, dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ. - Nhược điểm:
+ Dải tốc độ điều khiển hẹp. + Phải có mạch nguồn riêng.
b) Động cơ xoay chiều (AC Motor)
BM04/QT05/ĐT-KT
45
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
+ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều.
+ Đa dạng và rất phong phú về chủng loại, giá thành rẻ. - Nhược điểm:
+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và cơ cấu chấp hành để đảm bảo an tồn, momen khởi đợng nhỏ.
+ Mạch điều khiển tốc độ phức tạp, thường sử dụng biến tần.
c) Động cơ bước (Stepping Motor)
- Ưu điểm:
+ Điều khiển vị trí, tốc đợ chính xác, khơng cần mạch phản hồi. + Dễ điều khiển tốc độ và chiều.
+ Giá thành rẻ. - Nhược điểm:
+ Momen xoắn nhỏ.
+ Khơng có phản hồi nên có thể gây ra sai số.
d) Động cơ DC servo
- Ưu điểm:
+ Mômen trên trục điều.
+ Điều khiển tốc đợ chính xác nhờ hệ thống phản hồi. - Nhược điểm:
Giá thành đắt.
Không làm việc ở chế đợ mạch hở. Khó điều khiển.
3.4.2 Cơ cấu điều chỉnh khoảng cách.
- Bợ truyền vít me - đai ốc
- Ưu điểm:
+ Giá thành rẻ, dễ chế tạo. - Nhược điểm:
+ Ứng suất tiếp xúc lớn, ma sát lớn, hiệu suất thấp. + Khó loại trừ được khe hở giữa vít me và đai ốc.
46
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
3.5 Lựa chọn phương án thiết kế máy với các thông số kỹ thuật như sau
3.5.1 Lựa chọn phương án thiết kế
- Từ những đặc điểm và yêu cầu của đồ án chúng em đưa ra được những lựa chọn cho mơ hình máy cắt tuốt của mình như sau
- phương án thiết kế bộ phận kéo dây chọn kiểu 2 trục cùng quay.
- phương án thiết kế bộ phận cắt dây điện chọn một cây kềm gắn cố định vào cánh tay đòn và chuyển động cắt
- phương án thiết kế bộ phận truyền động trong đồ án này chúng em lựa chọn sử dụng động cơ bước và động cơ servo
- phương án thiết kế cơ cấu điều chỉnh khoảng cách với u cầu khơng q cao của mơ hình ta chọn cơ cấu điều chỉnh bằng vít điều chỉnh.
CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Chức năng: Như đã đề cập ở phần trên, do đó mạch điều khiển trung tâm có chức năng là điều khiển theo các tín hiệu và điều khiển đợng cơ, điều khiển cho đợng cơ quay thuận, nghịch để máy có thể kéo dây tiến và lùi, một cách nhịp nhàng
Đầu vào: là các tín hiệu nhập lệnh từ bàn phím.
Đầu ra: là các xung đưa ra cho mạch điều khiển động cơ.
Ở chương này ta sẽ tập trung tính tốn, thiết bị phù hợp, và thiết kế các bản vẽ cho hệ thống điều khiển.
BM04/QT05/ĐT-KT
47
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngơ Hà Quang Thịnh Hình 4. 1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy cắt tuốt dây điện
Trong đó:
- Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn 12VDC từ bộ chuyển đổi nguồn để cho mạch hoạt động.
- Khối tín hiệu: thực hiện truyền và nhận tín hiệu bằng nhập lệnh từ bàn phím. - Khối điều khiển trung tâm: Ta sử dụng vi xử lý điều khiển arduino nano. - Điều khiển hoạt đợng của hệ thống theo chương trình đã nặp sẵn. Cùng với đó
là việc truyền, nhận dữ liệu điều khiển.
- Khối điều khiển đợng cơ: cung cấp tín hiệu điều khiển cho đợng cơ hoạt đợng. - Khối đợng cơ : chủn hóa năng lượng cho động cơ hoạt động
- Ngõ ra hiển thị : hiển thị trạng thái và các thông số
4.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho hệ thống xử lý trung tâm, cùng với sự tư vấn và hỗ trợ của nhóm nên em thực hiện đã quyết định chọn vi điều khiển arduino nano để làm bợ xử lý chính cho mạch. Với đặc tính của arduino nano thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng lượng.
48
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
Sau đây là một vài thông số cơ bản của arduino nano:
Hình 4. 2 Arduino UNO
Thông số kỹ thuật :
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
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 chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi
chân I/O 30 mA
BM04/QT05/ĐT-KT
49
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng
bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Hình 4. 3 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm
Trong đó:
- Khối ổn áp 5V: có nhiêm vụ cung cấp nguồn 5V cho chíp Arduino Uno hoạt động.
- Khối dao động: để tạo ra xung nhịp, tần số dao đợng cho chíp Arduino Uno. - Khối reset: để khởi đợng cho chíp Arduino Uno.
Mạch ổn áp 5V
Arduino uno
50
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
4.2 Thiết kế khối điều khiển động cơ :
Hình 4. 4 Sơ đồ của khối điều khiển động cơ
4.2.1 Nguyên lý hoạt động của A4988
Hình 4. 5 Module Stepper motor A4988
BM04/QT05/ĐT-KT
51
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
A4988 là mợt trình điều khiển vi bước để điều khiển đợng cơ bước lưỡng cực có bợ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước.
Driver cung cấp năm độ phõn gii bc khỏc nhau: bc , ẵ bc, ẳ bước, 1/8 bước và 1/16 bước. Ngồi ra, nó có mợt biến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắt khi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện chéo.
Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên mỗi pha là 2A nếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dòng điện liên tục 1A mỗi pha mà không cần tản nhiệt hoặc làm mát.
Bảng Thông số kỹ thuật driver motor
STT HẠNG MỤC THỨ NGUYÊN THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1 Minimum logic Voltage V 3
2 Maximum logic Voltage V 5,5
3 Continuous current per phase A 1
4 Maximum current per phase A 2
5 Minimum operating voltage V 8
6 Maximum operating voltage V 35
4.2.2 Chân ra Driver A4988
Nhìn kỹ vào sơ đồ chân của trình điều khiển và nối nó với đợng cơ bước và bợ điều khiển. Vì vậy, chúng tơi sẽ bắt đầu với 2 chân ở nút bên phải để cấp nguồn cho trình điều khiển, chân VDD và Ground mà chúng tôi cần kết nối chúng với nguồn điện từ 3 đến 5,5 V và trong trường hợp của chúng tôi sẽ là bộ điều khiển của chúng tôi, Arduino Board sẽ cung cấp 5 V. 4 chân sau đây để kết nối động cơ. Các chân 1A và 1B sẽ được kết nối với
52
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
một cuộn dây của động cơ và chân 2A và 2B với cuộn dây khác của động cơ. Để cung cấp năng lượng cho động cơ, chúng tôi sử dụng 2 chân tiếp theo, Ground và VMOT mà chúng tôi cần kết nối chúng với Nguồn cung cấp từ 8 đến 35 V và chúng tôi cũng cần sử dụng tụ tách rời với ít nhất 47 PhaF để bảo vệ board điều khiển khỏi các xung điện áp.
Hai chân tiếp theo, Step và Direction là các chân mà chúng ta thực sự sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ. Chân Direction điều khiển hướng quay của động cơ và chúng ta cần kết nối nó với mợt trong các chân kỹ thuật số trên vi điều khiển, hoặc trong trường hợp của tơi, tơi sẽ kết nối nó với chân số 4 của Board Arduino.
Với chân Step, chúng ta điều khiển mirosteps của động cơ và với mỗi xung được gửi tới chân này, đợng cơ sẽ di chủn mợt bước. Vì vậy, điều đó có nghĩa là khơng cần bất kỳ chương trình phức tạp, board chuyển pha, dòng điều khiển tần số, v.v., vì trình dịch tích hợp của Driver A4988 đảm nhiệm mọi thứ. Ở đây chúng ta không nên nối chúng trong chương trình của mình.
Tiếp theo là chân SLEEP và mức logic thấp đặt board ở chế độ nghỉ để giảm thiểu mức tiêu thụ điện khi động cơ không được sử dụng.
Tiếp theo, chân RESET đặt trình dịch sang trạng thái Home được xác định trước. Trạng thái Home hoặc Vị trí Microstep Home này có thể được nhìn thấy từ Board dữ liệu A4988. Vì vậy, đây là vị trí ban đầu từ nơi động cơ khởi động và chúng khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải microstep. Nếu trạng thái đầu vào của chân này ở mức logic thấp, tất cả các đầu vào STEP sẽ bị bỏ qua. Chân Reset là mợt chân nổi, vì vậy nếu chúng ta khơng có ý định điều khiển nó trong chương trình của mình, chúng ta cần kết nối nó với chân SLEEP để đưa nó lên mức cao và bật board.
Bảng Thơng số kỹ thuật Driver A4988
STT MS1 MS2 MS3 Resolution
1 Low Low Low Full Step
2 Hight Low Low Halft Step
3 Low Hight Low Quarter Step
4 Hight Hight Low Eighth Step
BM04/QT05/ĐT-KT
53
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
3 chân tiếp theo (MS1, MS2 và MS3) là để chọn một trong năm độ phân giải theo board ở trên. Các chân này có điện trở bên trong, vì vậy nếu chúng ta ngắt kết nối, board sẽ hoạt động ở chế độ bước đủ.
Cuối cùng, chân ENABLE được sử dụng để bật hoặc tắt các đầu ra FET. Vì vậy, mức cao sẽ giữ cho đầu ra bị vơ hiệu hóa.
Hình 4. 6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển driver
- Chân 2 chân cấp nguồn nuôi driver hoạt động - Chân 8 chân cấp nguồn động cơ bước hoạt động - Chân 16 chân DIR cấp hướng cho đợng có
- Chân 15 chân STEP chân tạo xung điều khiển động cơ bước
- Chân 9 chân ENABLE được sử dụng để bật hoặc tắt các đầu ra FET. Vì vậy, mức cao sẽ giữ cho đầu ra bị vơ hiệu hóa.
- Chân 3 4 5 6 chân tạo pha để điều khiển đợng cơ bước quay
- Trên thị trường có rất nhiều loại driver điều khiển động cơ bước. Trong mạch này driver A4988 được chọn để điều khiển đợng cơ bước do tính hợp lý, đủ cơng suất để điều khiển động cơ, thiết kế nhỏ gọn, ưu việt. Động cơ bước không ăn dòng quá cao, rất phù hợp với động cơ A4988
4.2.3 Động Cơ RC Servo MG996R
Đợng Cơ RC Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn, đây là bản nâng cấp từ Động cơ RC servo MG995 về tốc độ, lực kéo và đợ chính xác. Lực kéo ở 6V: 11kg. Phù
54
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
hợp với máy bay cánh quạt loại 50 – 90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc- 50cc. So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn.
Hình 4. 7 Động Cơ RC Servo MG996R
Thông số kỹ thuật của Động Cơ RC Servo MG996R : Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn Lực kéo ở 6V: 11kg
Đây là bản nâng cấp từ servo MG995 về tốc độ, lực kéo và đợ chính xác
Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 -90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc
So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn. Tên sản phẩm: MG996R
Trọng lượng sản phẩm: 55g
Kích thước sản phẩm: 40.7 * 19.7 * 42.9mm Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V)
Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v) Điện áp làm việc: 4.8-7.2V
Nhiệt độ hoạt động: 0 ℃ -55 ℃ Vật liệu bánh răng: Kim loại
Các mơ hình thích hợp: Máy bay cánh cố định 50 – 90 methanol và máy bay cánh động cơ xăng 26cc-50cc
BM04/QT05/ĐT-KT
55
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
4.3 Thiết kế khối tín hiệu
Hình 4. 8 Sơ đồ ngun lý phím nhấn
Sử dụng bàn phím để khai báo các thơng số, đợ dài, chiều dài dây , số lượng cuộn dây gửi đến trung tâm điều khiển, điều khiển
4.4 Thiết kế khối ngõ ra hiển thị
Hình 4. 9 Màn hình LCD16x2
56
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
Chân Ký
hiệu Mô tả
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 RS
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện mợt xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế đợ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
7 - 14 DB0 - DB7
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế đợ sử dụng 8 đường bus này :
BM04/QT05/ĐT-KT
57
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh Bảng 4.3 Chức năng các chân của LCD
Hình 4. 10 Sơ đồ chân LCD16x2
+ 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 tới DB7, bit MSB là DB7
15 - Nguồn dương cho đèn nền
58
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh
4.5 Sơ đồ nối dây
BM04/QT05/ĐT-KT
59
SVVTH: Trần Nguyễn Minh Duy GVHD: Ngô Hà Quang Thịnh