Hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cảm biến tiệm cận

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂNNHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp Cơ Điện Tử 3 Khóa 14 2 Tên nhóm 2 Họ và tên thành viên Nguyễn Hùng Cương 2019605622 Hoàng Văn Đạt 2019606103 Nguyễn Đình Điểm 2019604946 II Nội d.

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ Điện Tử 3 Khóa:14

2 Tên nhóm: 2

Họ và tên thành viên: Nguyễn Hùng Cương 2019605622

Hoàng Văn Đạt 2019606103

Nguyễn Đình Điểm 2019604946

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng

cảm biến tiệm cận

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (L2.1)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm (Nếu có)

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự

án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ts Nguyễn Anh Tú ThS Nhữ Quý Thơ

MÔ TẢ KỸ THUẬT

1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ Hệ

thống có khả năng:

- Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng núm xoay

- Đo tốc độ động cơ bằng cảm biến tiệm cận

- Hiển thị tốc độ theo thời gian thực trên màn hình LCD

- Có chức năng lựa chọn giới hạn mức tốc độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trị mức vượt ngoài khoảng cho phép

4 Nội dung báo cáo

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các yêu cầu cơ bản

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí

3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

Kết Luận.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Các yêu cầu cơ bản 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 4

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 4

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 6

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 10

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 13

CHƯƠNG 3 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống 18

3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí 18

3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển 21

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 23

KẾT LUẬN 26

Tài liệu tham khảo 27

PHỤ LỤC 28

LỜI MỞ ĐẦU

Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện

Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi

và cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu này Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn là thầy Nhữ Quý Thơ, thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm cho nhóm trong thời gian qua Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng phổ biến nhất vẫn là hai phương pháp: sử dụng encoder và sử dụng cảm biến tiệm cận

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còn gọi là encoder Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông

có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào

bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng

để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm

Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc như công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biện và vật thể cần phát hiện Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện

Nhiệm vụ của nhóm là “Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cảm biến tiệm cận”

Nhóm sử dụng cảm biến tiệm cận để đo tốc độ động cơ 1 chiều và hiển thị tốc độ lên màn led LCD Hệ thống có khả năng cảnh báo tốc độ và điều chỉnh tốc

độ động cơ

1.2 Các yêu cầu cơ bản

Để giải quyết đề tài, nhóm cần giải quyết một số vấn đề như sau:

-Về phần hệ thống đo và cảm biến: cảm biến tiệm tiếp nhận và chuyển đổi thông tin thành tín hiệu Cảm biến phải thuộc tần số quét phù hợp với tốc độ của động cơ cần đo Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển và được xử lý để hiển thị các giá trị cần đo bằng chương trình riêng biệt

2

-Về phần điều khiển: hệ thống có thể xuất đèn cảnh báo tốc độ khi động cơ vượt ngưỡng giá trị đặt trước phục vụ cho việc kiểm soát tốc độ Có khả năng thay đổi tốc độ bằng biến trở

-Thiết bị chấp hành: động cơ cần lắp thêm vòng bánh trên trục xoay và có điểm mấu chốt để cảm biến bắt tín hiệu Động cơ dễ thay thế, bảo trì, bảo dưỡng

-Về phầm mềm lập trình: am hiểu về kĩ năng lập trình, đặc biệt là arduino ide Vì arduino ide là phần mềm lập trình chính xác, phổ biến, dễ dàng cho người mới tiếp cận

- Mô hình hóa và mô phỏng: Phần mềm Proteus Professional cho phép mô phỏng hoạt của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều kiển như PIC,AVR,ARUINO,

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cở sở hệ thống tự động, Cảm biến và hệ thống đo, kỹ thuật vi xử lý, tìm hiểu trên Internet, sách vở

- Áp dụng nhưng phương pháp thiết kế, viết chương trình tính toán, phân tích, xử lý số liệu để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài

- Nắm rõ được nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận, đặt ra các vấn đề cần giải quyết từ đó xây dựng hệ thống

- Sử dụng các kiến thức đã học về mô phỏng, thiết kế mạch điện trên phần mềm Proteus

- Xây dựng, thiết kế lập trình điều kiển trên phần mềm arduino ide theo đúng yêu cầu bài toán đặt ra

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Giới hạn đo trong khoảng 0-1500 vòng/phút

3

- Sai số khi đo ± 5%

- Độ phân giải >= 6 xung/vòng

- Công suất động cơ >10W

- Điện áp động cơ 12VDC

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Hệ thống đo tốc độ bằng cảm biến tiệm cận và điều khiển tốc độ là một trong những đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao trong sự phát triển của khoa học, công nghệ

Mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị công nghiệp cũng như các thiết bị công nghệ trong đời sống hiệu quả hơn và tạo tính an toàn cho người lao độ, đây chính là động lực để nhóm em tìm hiểu và có thêm nhiều hiểu biết hơn

và cách điều khiển, thiết kế và chế tạo hệ thống tối ưu và đáp ứng đủ các yêu cầu đưa ra

Đề tài có ứng dụng rất thực tiễn trong công nghiệp ở các dây truyền tự động hóa trong sản xuất và cả trong đời sống Áp dụng trong việc kiểm soát tốc độ và dùng trong các các thiết bị tự động hóa trong sản xuất, đo lường như tốc kế,…

4

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.1.1 Tổng quan hệ thống

Hình 1 Tổng quan hệ thống

Hệ thống bao gồm các cụm chi tiết :

5

Khi hệ thống hoạt động, bánh xe quay Trên bánh xe có điểm để cảm biến tiệm cận bắt tín hiệu Tín hiệu được đưa về bộ xử lý tín hiệu thực hiện tính toán

và đưa ra tốc độ và cảnh báo lên LED và màn hình LCD Từ đó điều chỉnh biến trở để đưa tốc độ vào mức cho phép đã đặt trước

6

1 Khối trung tâm là khối xử lí tín hiệu nhận được từ khối cảm biến từ

đó xử lý đem ra hiển thị ,gửi lên máy tính và điều khiển, khối trung tâm sử dụng

vi xử lý hoặc vi điều khiển

2 Khối hiển thị đảm nhận chức năng hiển thị thông số tốc độ và cảnh báo tốc độ từ khối trung tâm gửi lên để người dùng dễ dàng kiểm soát

3 Khối cảm biến là khối có chức năng cảm biến tiệm cận có đầu ra ở dạng điện áp analog hoặc digital và được đọc bởi khối trung tâm

4 Khối chấp hành là nơi làm việc của hệ thống, nơi nhận các tín hiệu

từ khối điều khiển và tạo tín hiệu cho khối cảm biến

5 Khối điều khiển thay đổi tốc độ động cơ, đưa về khối trung tâm xử

lý và hiển thị lên led cảnh báo

6 Khối nhập dữ liệu sử dụng nút bấm, màn hình chạm để thay đổi giá trị tốc độ so sánh của động cơ Đưa thông tin đó về khối trung tâm và sau đó tác động lên khối hiển thị

7 Khối nguồn: cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Phân tích

-Khái niệm:

Cảm biến tiệm cận hay còn gọi là là cảm biến phát hiện vật cản Phần lớn các cảm biến, khoảng cách này từ 1mm đến 10mm được sử dụng để phát hiện vị trí của các chi tiết máy Cảm biến tiệm cận hoạt động được ngay cả trong những môi trường khác nghiệt nhất

Cảm biến tiệm cận biến đổi các tín hiệu chuyển động hoặc lặp lại thành tín hiệu điện Nhờ cảm biến tiệm cận chúng ta biết được các hành trình của chuyển động van khí nén hay các chuyển động của piston, trục cam …

7

Cảm biến tiệm cận chỉ phát hiện được các vật chuyển động trong một khoảng cách nhất định Khi dùng cảm biến tiệm cận để đo sự chuyển động của bánh răng kết hợp với bộ chuyển đổi Z111 sẽ đo được tốc độ quay của động cơ

- Đặc điểm của cảm biến tiện cận:

Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách

xa nhất tới 30mm Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt – Tốc

độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

- Phân loại cảm biến tiệm cận: a, Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng

Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ

ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng

8

trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường

-Đặc điểm:

+ Chỉ phát hiện được các vật thể là kim loại

+ Khoảng cách đo ngắn so với loại điện dung

+ Ít bị nhiễu bởi môi trường xung quanh b,

Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Điện Dung

9

Cảm biến điện dung là cảm biến dùng

để phát hiện vật thể ở gần cỡ mm dùng cho

mục đích giám sát và điều khiển Cảm Biến

Tiệm Cận PR12-2DN (NPN) 12-24VDC

12mm thuộc loại cảm biến CR Series Dễ

dàng điều chỉnh khoảng cách phát hiện với

biến trở điều chỉnh độ nhạy bên trong và có

mạch bảo vệ nối ngược cực nguồn, quá áp Hình 5 Cảm biến Tiệm Cận PR12-2DN (NPN)

Ưu Điểm Của Autonics PR12-2DN: Có thể phát hiện kim loại Tuổi thọ dài

và độ tin cậy cao Có mạch bảo vệ nối ngược cực nguồn, quá áp Dễ dàng điều chỉnh khoảng cách phát hiện với biến trở điều chỉnh độ nhạy bên trong Có thể kiểm tra trạng thái hoạt động bằng chỉ thị LED đỏ dễ dàng để điều khiển mức và

vị trí Phù hợp với nguồn điện cung cấp 12V Giá thành rẻ dễ dàng thay thế

10

Sơ đồ kết nối dây:

Vì cảm biến đã được kéo trở nội 10k lên VCC nên điện áp mức cao của chân tín hiệu (Vout) của cảm biến cũng chính là điện áp VCC, nên khi mức điện

áp VCC của cảm biến khác với mức điện áp giao tiếp của arduino để tránh làm cháy arduino thì ta cần thêm một điện trở Rx Được tính theo công thức:

tế và khả năng của bản thân nhóm đã lựa chọn Arduino để hoàn thành đồ án

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự

án điện tử Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều

11

khiển) và một phần mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính, được sử dụng để viết và tải mã máy tính lên bo mạch

Việc lựa chọn arduino để làm bộ điều khiển cho hệ thống dựa trên các phương diện:

- Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì Arduino là 1 bộ hoàn chỉnh

bộ nguồn, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm

- Nhiều thư viện mẫu có sẵn

- Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào Arduino

- Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thông tin về Arduino

Trong thực tế cũng có rất nhiều loại arduino: arduino uno r3, arduino mega, arduino nano…

Nhưng đối với hệ thống thì arduino uno r3 là lựa chọn tối ưu nhất Arduino

dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, kết nối USB, giắc cắm nguồn, nút đặt lại và hơn thế nữa Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn cho nó bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để bắt đầu

Số chân đảm bảo cho việc kết nối hệ thống hơn so với arduino nano và giá thành tốt hơn arduino mega

12

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC

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

13

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.4.1 Thiết kế mạch đo

Phần mạch điện của hệ thống được xây dựng trên phần mềm Proteus

- Đối với LCD việc kết nối thông thường với vi xử lý arduino sẽ gặp một số khó khăn do số dây cần nối tới arduino lớn vì vậy để dễ dàng hơn cho việc thiết kế và kết nối giữa arduino và LCD ta sẽ sử dụng giao tiếp I2C cho quá trình kết nối này

Hình 8 Mạch điện LCD

+ SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu

+ SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp

+ Hai chân SDA và SCL truyền dẫn tín hiệu analog được nối với 2 chân A4

14

- Về cảm biến tiệm cận có 3 dây, 2 dây màu nâu và xanh sẽ nối với VCC và GND của arduino hoặc nguồn và mass bên ngoài

Hình 9 Mạch điện cảm biến

- Về motor và biến trở điều khiển: Mạch điện đơn giản điều khiển động

cơ DC bằng Mosfet: Điều chỉnh tốc độ bằng biến trở

Dựa trên nguyên lý cầu phân áp, điều chỉnh điện áp ở cực G để điều khiển Mosfet Điện áp phân áp tăng thì điện áp rơi trên Mosfet giảm, tốc độ động cơ tăng lên

Hình 10 Mạch điện bộ điều khiển tốc độ

15

- Về led cảnh báo tín hiệu: nối với các chân ra của PWM arduino 2,3,4

16

Từ đó ta có mạch điện tổng quát chung:

Hình 13 Mạch điện tổng quát