3.5.2 Nguyên lý hoạt động
Hôm nay chúng ta cùng tìm hiều về chủ đề: nguyên lý hoạt động của load cell. Cách thức hoặt động của load cell nhƣ thế nào. Hay sử dụng Loadcell thế nào cho đúng kỹ thuật để tránh làm ảnh hƣởng tới loadcell ?
Nhƣ bài trƣớc chúng ta đã tìm hiểu vè Loadcell là gì.cảm biến load cell là nhƣ thế nào.
Ta thấy loadcell có rất nhiều hình dạng khác nhau về kích thƣớc hình dáng và chất liệu Nhƣng về ngun lý hoặt động của chúng đa phần giống nhau về cấu trúc bên trong.
Đây là cấu trúc cơ bản của Loadcell.
Đƣợc chia làm 2 luồng tín hiệu cơ bản, Tín hiệu đầu vào Input và tín hiệu đầu ra output.Ngồi ra phía bên ngồi Loadcell đƣợc bọc một lớp day kem có tính năng chống nhiễu. Khi bạn đấu nối nên nhớ hãy nối mát ( -) cho tín hiện này. Nếu khơng khi tín hiệu output trở về bộ đọc cân sẽ bị dao động khi có rung động hoặc ảnh hƣởng bởi dòng điện xung quanh.
Ở trạng thái bình thƣờng tức là khơng mang trọng lƣợng Loadcell ở trạng thái cân bằng. Khi có trọng lƣợng thì có sự biến đổi điện trở, thƣờng thí loadcell sẽ bị dãn hoặc bị nén tùy vào thiết kế để phù hợp với từng lĩnh vực khác nhau.Lúc này Điện trở bên trong loadcell sẽ bị thay đổi tiết diện dẫn đến thay đổi điện áp đầu ra.
Điện áp đầu ra của Loadcell thay đổi với điện áp nhỏ nên nó sẽ đƣợc kết nối với bộ đọc loadcell hay còn gọi là bộ đọc cân. Bộ đọc loadcell này có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu ra của loacell.
Tùy vào ngƣời cài đặt sẽ hiệu chỉnh bộ đọc cân này cho đúng với khối lƣợng đã đƣợc đặt lên Loadcell. Thƣờng ngƣời ta sẽ dùng phƣơng pháp lũy tiến để hiệu chỉnh cân. Ngƣời hiệu chỉnh thƣờng bắt đầu từ quả cân có khối lƣợng là 1kg theo chuẩn cân của Việt Nam, rồi tiếp tục đặt những quả cân có khối lƣợng chuẩn lên để đo thơng số. Và cịn tùy vào chuẩn cân nhằm mục đích gì để có thể hiệu chỉnh đầu đọc loacell cho chính xác.
Với những nghành cần thơng số đo chính sác thì Loadcell phải đảm bảo chính xác gần nhƣ tuyệt đối và độ chống nhiễu cao.
CHƢƠNG 4 : PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TRONG THIẾT KẾ
4.1 Cơ khí
4.1.1 Quy trình thiết kế
Thiết kế là cơng đoạn rất quan trọng trong chế tạo máy, nó định hình ý tƣởng, vị trí tƣơng quan các chi tiết, đồng thời thông qua bản thiết kế có thể đánh giá đƣợc tính hợp lí và khả thi của tồn bộ dự án.
Quy trình thiết kế phần cơ khí máy đƣợc tiến hành nhƣ sau :
Hình 4.1: Quy trình thiết kế máy
Sau khi đã có những hình dung ban đầu về mơ hình, tiến hành vẽ phác các ý tƣởng đó trên máy tính, chƣa cần quan tâm đến kích thƣớc chính xác, chủ yếu thể hiện vị trí tƣơng quan các chi tiết, các cụm chi tiết của toàn bộ máy.
Bƣớc tiếp theo so sánh từng ý tƣởng đề ra sau đó lựa chọn ý tƣởng tối ƣu. Sau đó thiết kế ý tƣởng trên máy tính , cho phép điều chỉnh tùy ý giá trị kích thƣớc, vì mơ hình là tổ hợp lắp ráp của nhiều chi tiết nên kích thƣớc của các chi tiết có mối
Nghiên cứu thị trường
Xây dựng ý tưởng Lựa chọn phương án
Tính tốn, thiết kế trên
catia Liệt kê vật tư
Gia công, lắp ráp Thử nghiệm
quan hệ chặt chẽ với nhau, ảnh hƣởng đến nhau. Vì vậy, trong quá trình thiết kế từng chi tiết cần đối chiếu, so sánh với các chi tiết trƣớc đó. Đồng thời để thuận tiện cho q trình thiết kế, có thể vừa vẽ chi tiết vừa lắp ráp với chi tiết tƣơng quan với nó, sau đó lại quay lại chỉnh sửa kích thƣớc, hình dạng chi tiết đó cho đến khi hồn thiện. Cách làm này giúp q trình thiết kế dễ dàng hơn bởi tính trực quan, giảm thiểu thời gian, cơng sức tính tốn, ƣớc đốn...
4.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy
Sau khi khảo sát thị trƣờng và tham khảo ý kiến của giáo viên hƣớng dẫn. Sản phẩm nhựa có 2 lọaị chuyển động cơ bản:
Tịnh tiến : tịnh tiến sang trái sang phái và tịnh tiến lên xuống. Xoay : 1 góc.
Nguyên lý của máy là trục chính chuyển động tịnh tiến lên xuống tác động vào sản phẩm (Sản phẩm có dạng nút nhấn). Đối với loại sản phẩm xoay 1 góc (các nắp chai, Các sản phẩm có khớp bản lề mềm) trên bàn máy sử dụng cơ cấu đòn bẩy để chuyển chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay thực hiện chuyển động lật.
4.1.3 Các phƣơng án đề ra
4.1.3.1 Phƣơng án dùng cơ cấu cam Sơ đồ nguyên lý:
Cơ cấu cam là cơ cấu khớp loại cao, có khả năng thực hiện đƣợc những chuyển động có chu kỳ phức tạp của khâu bị dẫn có độ chính xác cao ( bằng cách sử dụng bề mặt hoặc một đƣờng rãnh của một bộ phận, đƣợc gọi là cam (1), để điều khiển bộ phận thứ hai, đƣợc gọi là con đội (2).
Thời gian và kiểu chuyển động của con đội là cơ sở để thiết kế cam. Chu trình chuyển động của con đội ứng với một vòng quay 3600 của cam và đƣợc gọi là chu trình chuyển vị.
Trong các thiết bị cơ khí, cơ cấu cam đƣợc dùng để đóng mở các van hoặc điều chỉnh chuyển vị của pittong.
Các loại cơ cấu cam
Cam măt: có dạng đĩa phẳng, hình dạng đƣờng chu vi của cam điều khiển sự chuyển động của con đội.
Hình 4.3: Cam mặtHình 4.4: Cam rãnh
Cam rãnh : là đĩa phẳng đƣợc tạo rãnh, hình dạng rãnh điều khiển sự chuyển động của con đội.
Cam trụ: có dạng mặt trụ và có rãnh cắt trên mặt trụ để điều khiển sự
Ƣu,nhƣợc điểm
Ƣu điểm: chọn biên hình cam theo một quy luật chuyển động cho trƣớc dễ dàng
Nhƣợc điểm : Có khớp cao tiếp xúc theo điểm hay đƣờng trên biên dạng cam dẫn đến hao mòn nhanh ở bề mặt làm việc, có khuynh hƣớng tháo khớp, khó khăn trong việc chế tạo chính xác bề mặt làm việc của cam.Gia công phức tạp
Thiết kế sơ bộ cơ cấu chấp hành
Hình 4.6: Mơ phỏng cơ cấu cam
4.1.3.2 Phƣơng án dùng cơ cấu tay quay con trƣợt Sơ đồ nguyên lý
Cơ cấu tay quay con trƣợt là cơ cấu nhiều thanh gồm 4 khâu: Khâu 1: tay quay chuyển động quanh điểm A.
Khâu 2: thanh truyền.
Khâu 3: con trƣợt chuyển động tịnh tiến. Khâu 4: Giá.
Các khâu này đƣợc nối với nhau bằng 4 khớp loại 5.
Ƣu, nhƣợc điểm
Ƣu điểm: lâu mòn, tuổi thọ cao, truyền lực lớn, có chế tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp, dễ dàng thay đổi khích thƣớc động,
Nhƣợc điểm: khó thiết kế cơ cấu cho 1 quy luật chuyển động cho trƣớc
Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trƣợt:
Hình 4.8: Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trƣợt
Đặc điểm cấu tạo: tâm quay D ở xa vô tận nên đƣờng giá AD là đƣờng thẳng đi qua A và vng góc và vng góc với phƣơng trƣợt xx của khâu 3. Tâm vận tốc tức thời là P.
Quan hệ động học: 𝑉𝑐 = 𝜔1. 𝑙𝑃𝐴
Hệ số năng suất: 𝐻𝑐 = 2. 𝑙𝐴𝐵 (chính tâm) Điều kiện quay tồn vịng: 𝑙1+ 𝑒 ≤ 𝑙2
4.1.3 Lựa chọn phƣơng án
Lựa chọn phƣơng án 2 tay quay con trƣợt là thích hợp nhất.
4.2 Điều khiển
4.2.1 Giới thiệu vi điều khiển STM32
Những đặc điểm nổi trội của dòng ARM Cortex đã thu hút các nhà sản xuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhân Cortex đã đƣợc giới thiệu. Không nằm ngồi xu hƣớng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đƣa ra dịng STM32. STM32 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex- M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế. Lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dội cho công ty ARM.
Một vài đặc điểm nổỉ bật của STM32
ST đã đƣa ra thị trƣờng 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhƣng STM32 là một bƣớc tiến quan trọng trên đƣờng cong chi phí và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với số lƣợng lớn, STM32 là sự thách thức thật sự với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống. STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, đƣợc phân thành hai dịng: dịng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dịng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz. Các biến thể STM32 trong hai nhóm này tƣơng thích hồn tồn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thƣớc bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM.
Hình 4.9. Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access
Nhánh Performance hoạt động với xung nhịp lên đến 72Mhz và có đầy đủ các ngoại vi, nhánh Access hoạt động với xung nhịp tối đa 36Mhz và có ít ngoại vi
Sự tinh vi
Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống nhƣ những vi điều khiển khác, nhƣ hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC. Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị. Ví dụ nhƣ bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi. Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt sự kiện với tính năng input capture và tạo dạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thể liên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các định thời tinh vi hơn. Một bộ định thời cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ, với 6 đầu ra PWM với dead time (khoảng thời gian đƣợc chèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù nhau trong điều khiển mạch cầu H) lập trình đƣợc và một đƣờng break input (khi phát hiện điều kiện dừng khẩn cấp) sẽ buộc tín hiệu PWM sang một trạng thái an toàn đã đƣợc cài sẵn. Ngoại vi nối tiếp SPI có một khối kiểm tổng (CRC) bằng phần cứng cho 8 và 16 word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC.
STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access). Mỗi kênh có thể đƣợc dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với kích thƣớc từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit. Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng để gửi hoặc đòi hỏi dữ liệu nhƣ yêu cầu. Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA. Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển.
STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lƣợng thấp và đạt hiệu suất cao. Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dịng tiêu thụ chỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều đƣợc hoạt động. Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lƣợng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2μA khi ở chế độ Standby. Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chip nhanh chóng thốt khỏi chế độ tiết kiệm năng lƣợng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động. Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm năng lƣợng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lƣợng tổng thể.
Sự an toàn
Ngày nay các ứng dụng hiện đại thƣờng phải hoạt động trong môi trƣờng khắc khe, địi hỏi tính an tồn cao, cũng nhƣ địi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều
thiết bị ngoại vi tinh vi. Để đáp ứng các yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất. Chúng bao gồm một bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung Clock và hai bộ Watchdogs. Bộ đầu tiên là một Watchdog cửa sổ (windowed watchdog). Watchdog này phải đƣợc làm tƣơi trong một khung thời gian xác định. Nếu nhấn nó quá sớm, hoặc quá muộn, thì Watchdog sẽ kích hoạt. Bộ thứ hai là một Watchdog độc lập (independent watchdog), có bộ dao động bên ngoài tách biệt với xung nhịp hệ thống chính. Hệ thống bảo vệ xung nhịp có thể phát hiện lỗi của bộ dao động chính bên ngồi (thƣờng là thạch anh) và tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8MHz.
Tính bảo mật
Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại là nhu cầu bảo mật mã chƣơng trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm. Bộ nhớ Flash của STM32 có thể đƣợc khóa để chống truy cập đọc Flash thơng qua cổng Debug. Khi tính năng bảo vệ đọc đƣợc kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng đƣợc bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy đƣợc chèn vào bảng vector ngắt. Hơn nữa bảo vệ ghi có thể đƣợc cho phép trong phần cịn lại của bộ nhớ Flash. STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực và một khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM đƣợc nuôi nhờ nguồn pin. Khu vực này có một đầu vào chống giả mạo (anti-tamper input), có thể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầu vào này. Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu đƣợc lƣu trữ trên SRAM đƣợc nuôi bằng nguồn pin.
4.2.2 Truyền nhận dữ liệu
Phƣơng án chạy dãy thuật pid trên c# truyền nhận tín hiệu với vi điều khiển: Ƣu điểm:
Trên C# có khả năng tính tốn các dãy thuật phức tạp, có khả năng tính nội suy các đƣờng phức tạp.
Nhƣợc điểm:
Do thời gian truyền nhận mất thời gian nên không đáp ứng kịp với tốc độ đáp ứng của encorder.
Phƣơng án chạy giải thuật trên vi điều khiển truyền kết quả lên C#: Ƣu điểm
Có thể đáp ứng nhanh chóng với các phép tính. Khơng tốn thời gian truyền nhận.
Nhƣợc điểm:
Khơng tính đƣợc các phép tốn phức tạp.
Kết luận
Do yêu cầu điều khiển chỉ cần phép tính pid đơn giản, cần đáp ứng kịp thời để đọc encorder nên ta chọn phƣơng án chạy thuật tốn pid trên vi điều khiển sau đó truyền kết quả vị trí đã tính đƣợc lên giao diện máy tính.
4.2.3 Hồi tiếp vận tốc và chu kì
Encoder là một loại cảm biến vị trí, đƣa ra thơng tin về góc quay dƣới dạng số mà khơng cần bộ ADC. Encoder quay quang cịn đƣợc gọi là bộ mã hố vịng quay.
4.2.3.1 Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang
Đĩa quay đƣợc xẻ rãnh gắn vào trục.
Một nguồn sáng và 1 tế bào quang điện đƣợc bố trí thẳng hàng. Mạch khuếch đại.
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của một encoder Phân loại Phân loại
Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): mã nhị phân, mã gray.
Cấu tạo
- Một đĩa quay đƣợc mã hoá theo các rãnh đồng tâm.
- Đầu đọc: gồm các tia sáng và các tế bào quang điện. Mỗi tia sáng riêng biệt đƣợc chiếu đến từng rãnh cho từng tế bào quang điện. Mỗi tế bào quang điện đƣa ra 1 bit cho đầu ra số.
- Ví dụ: đĩa có 8 rãnh đồng tâm thì đầu đọc có 8 tia sáng riêng biệt và 8 tế bào quang điện. Ngõ ra là đầu ra số (digital) 8 bit.
Hình 4.11: Encoder tuyệt đối
Encoder tƣơng đối (Incremental encoder): loại 1 kênh, 2 kênh.
Cấu tạo
- Một đĩa xẻ rãnh đƣợc gắn trên trục. - Đầu đọc gồm 1 – 3 bộ thu phát quang. - Đầu ra là xung vng.
Hình 4.12: Encoder tƣơng đối Ứng dụng của encoder quay quang
Trong các bài toán đo tốc độ động cơ.
Xác định khoảng dịch chuyển của đối tƣợng thông qua xác định số vòng quay của trục,
Ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Robot, máy công cụ, hàng không vũ trụ… 4.2.3.2Kết luận Hiệu Điên thế: 24V Công suất: 32,26 W Tốc độ quay : 3000v/p Moomen xoắn: 160 N.mm
Hình 4.13 : Động cơ NF5475E.