Chuyên đề nghiên cứu thiết kế hệ thống cảm biến vị trí được thực hiện với các mục đích sau: - Giám sát, điều khiển độ nâng hạ của các xi lanh nâng hạ để từ đó theo dõi, điều chỉnh được độ cao của từng trục và độ cao của sàn xe (1605 mm .. 2310 mm).
Trang 1MỤC LỤC
I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 3
I.1 Mục đích 3
I.2 Yêu cầu 3
II THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ 4 II.1 ĐO ĐỘ CAO TRỤC NÂNG HẠ 4 II.1.1 Yêu cầu đo 4
II.1.2 Phương pháp đo 4
II.1.2.1 Lựa chọn đối tượng đo và phép chuyển đổi tương đương 4
II.1.2.2 Lựa chọn phương pháp đo 8
II.1.3 Sensor 10
II.1.4 Hệ thống thu thập tín hiệu 12
II.1.4.1 Mục đích của thiết kế hệ thống đo: 12
II.1.4.2 Yêu cầu đối với thiết kế hệ thống đo: 12
II.1.4.3 Thiết kế hệ thống đo 12
II.1.5 Lắp đặt sensor 13
II.1.5.1 Yêu cầu đối với lắp đặt sensor 13
II.1.5.2 Bố trí lắp đặt 14
II.1.6 Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường 14
II.2 SENSOR ĐO GÓC QUAY BÁNH 15 II.2.1 Yêu cầu đo 15
II.2.2 Phương pháp đo 15
II.2.3 Sensor 16
II.2.4 Hệ thống đo và thu thập tín hiệu từ sensor 16
II.2.5 Lắp đặt sensor 19
II.2.6 Bảo vệ sensor 20
III KẾT LUẬN 20
IV Tài liệu tham khảo 21
Trang 2DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Vị trí các sensor đo vị trí 3
Hình 2 Ký hiệu các trục nâng hạ và cụm bánh 4
Hình 3 Đo độ cao của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ 6
Hình 4 Vị trí các điểm trên hệ thống nâng hạ ứng với trường hợp sàn xe ở vị trí thấp nhất và cao nhất 7
Hình 5 Mô tả vị trí các khớp trên trục nâng hạ khi sàn xe ở độ cao thấp nhất và cao nhất 8
Hình 6 Đo góc bằng phương pháp encoder a – mô tả phương pháp, b – mô tả đĩa encoder 9
Hình 7 Đo góc thông qua đo các sự thay đổi của đại lượng điện trở 9
Hình 8 SRH880P của hãng Penny and Giles 10
Hình 9 Sensor IPS6000 – hãng Industrial Grade 10
Hình 10 Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik 11
Hình 11 Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định độ cao trục nâng hạ 12
Hình 12 Sơ đồ nguyên lý của 4 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc nâng hạ truyền tới tủ điều khiển trung tâm 13
Hinh 13 Vị trí lắp đặt của 1 sensor nâng hạ 14
Hình 14 Mối nối cáp truyền dẫn M12x1 15
Hình 15 Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik 16
Hình 16 Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định góc xoay của trục bánh 17
Hình 17 Sơ đồ nguyên lý của 6 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc lái của trục bánh tới tủ điều khiển trung tâm 18
Hình 18 Thiết kế lắp đặt sensor đo góc quay tại một cụm bánh 19
Hình 19 Bảo vệ cổng xuất tín hiệu của sensor khỏi tác động của môi trường 20
Trang 3I.2 Yêu cầu
Các yêu cầu mà chuyên đề phải thực hiện là:
- Tìm hiểu phương pháp đo
- Tìm và lựa chọn sensor cho hệ thống cần thiết kế
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu thập, xử lý tín hiệu đo
- Thiết kế lắp đặt các sensor vào xe
- Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường (độ ẩm cao, nồng độ muối trong khôngkhí cao,…)
Trang 4II THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
II.1 ĐO ĐỘ CAO TRỤC NÂNG HẠ
II.1.1 Yêu cầu đo
Để phục vụ cho việc nâng hạ và điều khiển cân bằng cho xe lúc vận hành, cần thiếtphải đo được độ cao của sàn xe và độ cao của từng trục nâng hạ
Xe có 4 trục nâng hạ được bố trí như Hình 2 Có 6 cụm bánh và 4 cụm nâng hạ 2 cụm bánh 2-3 và 4-5, mỗi cụm 2 bánh sẽ chung 1 cơ cấu nâng hạ
6
N: cụm nâng hạ
N:cụm bánh xe
Hình 2 Ký hiệu các trục nâng hạ và cụm bánh.
Các yêu cầu đo:
- Đo độ cao tại 4 trục nâng hạ
- Giới hạn nâng hạ: 0 – 705mm
- Sai số đo: ±1mm
II.1.2 Phương pháp đo
II.1.2.1 Lựa chọn đối tượng đo và phép chuyển đổi tương đương.
Hệ thống trục nâng hạ là một kết cấu gồm xinlanh thủy lực và các thành phần cơ khí
để phục vụ cho quá trình nâng hạ
Để đo được độ cao của sàn và độ cao của từng trục nâng hạ ta có 2 hướng giảiquyết:
- Đo không tiếp xúc: sử dụng các cảm biến như siêu âm hoặc quang để tính toánkhoảng cách từ sàn xe tới vị trí cảm biến đo, từ đó xác định độ cao cần đo
Trang 5- Đo độ cao của sàn xe thông qua sự dịch chuyển của các xi-lanh thủy thực.
Phương pháp đo không tiếp xúc không sử dụng được trong hệ thống cần thiết kế,
bởi nó không ổn định và gây phức tạp hệ thống Ở đây ta tận dụng sự dịch chuyển
của các xi-lanh thủy lực.
Xi-lanh thủy lực là các hệ thống kín, ta không thể chế tạo mạch đo để tính toán trựctiếp độ di chuyển của piston bên trong Các nhà sản xuất thường cung cấp các bộ đo đikèm với từng loại xilanh Nếu không sử dụng các bộ đo sản xuất sẵn, ta phải đo thôngqua sự dịch chuyển của các cơ cấu khác rồi chuyển đổi về sự di chuyển tương đươngcủa piston trong xilanh
Để đo độ dịch chuyển của piston thủy lực trong hệ thống nâng hạ của xe cần thiết
o Phép đo góc có độ chính xác cao thỏa mãn được yêu cầu đo
o Không làm phức tạp hệ thống, nhờ sử dụng kết cấu cơ khí đã thiết kế cho
hệ thống nâng hạ mà không cần các cơ cấu trung gian khác
o Dễ lắp đặt, thay thế
o Giá thành của cảm biến đo góc không đắt như bộ đo cung cấp sẵn bởi nhàsản xuất
Từ các phân tích trên và tham khảo với các kết quả khảo sát từ xe mẫu, chuyên đề
lựa chọn phương pháp đo góc mở của khớp nâng hạ Phép chuyển đổi tương đương
từ góc mở của khớp nâng hạ sang độ dịch chuyển của piston trong xilanh thủy lực được mô tả trong Hình 3.
Trang 6Hình 3 Đo độ cao của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ
Theo thiết kế cơ khí, 2 tam giác ABC và ADE là không thay đổi hình dạng trongtoàn bộ quá trình nâng hạ
ngang, d =BD là độ dài của xilanh, h là độ cao của D so với mặt đất.
Quỹ đạo nâng hạ của sàn xe được thể hiện trong hình sau:
Trang 7Hình 4 Vị trí các điểm trên hệ thống nâng hạ ứng với trường hợp sàn xe ở vị trí thấp nhất và cao nhất
Khả năng nâng hạ tối đa của sàn xe là 705mm
Khi góc khớp nâng hạ BAD đạt giá trị 1 (Hình 5), h là độ cao của sàn so với
điểm thấp nhất của sàn xe Ta có:
Trang 8h
H1 H0
Hình 5 Mô tả vị trí các khớp trên trục nâng hạ khi sàn xe ở độ cao thấp nhất và cao nhất
II.1.2.2 Lựa chọn phương pháp đo
Như phân tích trên, ta đã lựa chọn đối tượng được đo trực tiếp bởi sensor là góc mởcủa khớp nâng hạ Ở đây ta sẽ lựa chọn phương pháp để đo góc mở đó
Một số phương pháp thường sử dụng để sự dịch chuyển của góc là:
- Đo thông qua bộ mã hóa Encoder (phương pháp quang):
o Phương pháp sử dụng các bộ thu phát-phát quang và hệ thống đĩa có đục lỗ
để đọc (encoder) và mã hóa giá trị của góc cần đo Phương pháp này chotrực tiếp giá trị số ở dạng nhị phân
Trang 9o Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào độ phân giải của đĩa encoder
o Phương pháp đơn giản, độ chính xác tùy chọn nhưng độ bền không thật sựcao (do sự già hóa của các bóng đèn)
- Đo thông qua sự thay đổi của các đại lượng điện (điện trở, điện cảm, điện dung,điện thế, dòng điện,…)
o Khi thay góc cần đo thay đổi, sẽ tạo ra sự dịch chuyển vị trí các phần tử củacảm biến, làm cho các đặc tính điện của cảm biến thay đổi (như điện trở,điện dung,…) Từ sự thay đổi này ta sẽ tính ra được góc cần đo
o Tín hiệu ra là đại lượng tương tự (analog) và có thể chuẩn hóa và truyềnđược đi xa trong hệ thống
o Phương pháp đo có đặc tín tuyến tính tốt, độ chính xác và tin cậy cao, tuổithọ của thiết bị cao, hệ thống lắp đặt đơn giản
Hình 7 Đo góc thông qua đo các sự thay đổi của đại lượng điện trở
Với yêu cầu về độ tin cậy, độ an toàn và sự bền bỉ của của xe cần thiết kế, chuyên
đề chọn phương pháp đo góc thông qua các đại lượng điện, cụ thể là sự thay đổi củađiện trở
Trang 10II.1.3 Sensor
Một số loại sensor mà nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu được
a SRH880P của hãng Penny And Giles
Hình 8 SRH880P của hãng Penny and Giles
Sensor có thông số như sau:
b IPE6000 – Hãng sản xuất NovoTechnik
Hình 9 Sensor IPS6000 – hãng Industrial Grade
- Dải đo: 20 – 355°
Trang 11- Nguồn cấp: 90 – 30 VDC
- Output: 0 – 5VDC, 4 – 20mA
- Sai số: ±0.1% toàn dải
- Vỏ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ
- Chống rung-sốc: 50g/11ms
- Giá: 650USD/chiếc
c 530 410-A00A00-00 – hãng sản xuất: Mobil Elektronik
Hình 10 Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik
Có nhiều hãng sản xuất cảm biến đo góc khác nhau Theo khảo sát, các sensor mà
xe mẫu sử dụng là của hãng Mobil Elektronik
Các mẫu sensor này đã được hãng xe mẫu nghiên cứu và lựa chọn Để hạn chế thờigian tìm kiếm và thử nghiệm sensor, chuyên đề cũng lựa chọn các sensor của hãngMobil Elektronik
Trang 12II.1.4 Hệ thống thu thập tín hiệu
II.1.4.1 Mục đích của thiết kế hệ thống đo:
o Thu thập giá trị đo từ sensor đo góc mở của khớp nâng hạ
o Chuyển đổi sự thay đổi về điện trở thành sự thay đổi điện áp
o Chuẩn hóa tín hiệu điện áp để có thể truyền được tới bộ phận xử lý màkhông bị mất thông tin
II.1.4.2 Yêu cầu đối với thiết kế hệ thống đo:
o 4 kênh để đo tín hiệu sensor tại 4 khớp nâng hạ
o Nguồn cấp: 12V
o Tín hiệu ra: 0-5V
o Truyền tín hiệu theo chuẩn 3dây
II.1.4.3 Thiết kế hệ thống đo
a Sơ đồ khối thiết bị
Tín hiệu được truyền từ sensor về tủ điều khiển trung tâm bằng cáp chuyên dụng.Tại đây, tín hiệu được số hóa và xử lý Các giá trị về độ cao nâng hạ được truyền liêntục về máy tính trung tâm đặt tại các cabin và hiển thị qua màn hình
CẢM BIẾN
ĐO GÓC KHỚP NÂNG HẠ
TỦ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
Hình 11 Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định độ cao trục nâng hạ
Trang 13b Sơ đồ nguyên lý
Các sensor được ký hiệu trong bản vẽ thiết kế là RP402.4, RP402.8, RP402.12,RP402.16 tương ứng với 4 trục nâng hạ 1, 2, 3, 4 của xe Tín hiệu được thu thập làđiện áp tương ứng với điện trở của sensor tại thời điểm đo
Hình 12 Sơ đồ nguyên lý của 4 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc nâng hạ truyền tới tủ điều khiển
trung tâm.
II.1.5 Lắp đặt sensor
II.1.5.1 Yêu cầu đối với lắp đặt sensor
o Lắp đặt 4 sensor đo góc tại 4 khớp nâng hạ của xe
o Xác định điểm đặt của sensor
o Vị trí lắp sensor thuận tiện cho việc lắp ráp, thay thế
Trang 14II.1.5.2 Bố trí lắp đặt
SENSORCạnh quay
xilanh
Trục 1
Trục 2
Hinh 13 Vị trí lắp đặt của 1 sensor nâng hạ.
Sensor được lắp ra phía mặt ngoài của khớp nâng hạ Sensor được gắn chặt vớitrục khớp có nối với gầm xe Thanh quay của sensor được gắn chặt với trục còn lại củakhớp quay
II.1.6 Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường
Yêu cầu:
o Chống lại sự ăn mòn của muối trong môi trường bên cảng
o Chống sự xâm nhập của bụi, hơi nước,…
Trang 15Sensor đã lựa chọn được thiết kế cho sự hoạt động trong môi trường có khả năng ănmòn cao như tại các bến cảng, cũng như chống bụi và hơi nước.
Vấn đề cần quan tâm ở đây là việc chống ăn mòn tại các mối nối Ta sử dụng cáptruyền thông đầu nối kiểu M12x1.Mối nối M12x1 được bọc bởi lớp nút cao su bền,đảm bảo ngăn cản sự tác động của môi trường tới đường truyền dẫn phía trong
Hình 14 Mối nối cáp truyền dẫn M12x1.
Cáp truyền được cung cấp bởi nhà sản xuất và đi kèm với sensor Độ dài của cáp đểtín hiệu được truyền đi mà không bị ảnh hưởng, theo thiết kế của nhà sản xuất là 10m
II.2 SENSOR ĐO GÓC QUAY BÁNH
II.2.1 Yêu cầu đo
Để phục vụ cho việc điều khiển quá trình lái xe lúc vận hành, cần thiết phải đo đượcgóc quay của trục xe
Xe có 6 cụm bánh được bố trí như Hình 2 Có 6 cụm bánh và 4 cụm nâng hạ Mỗi
cụm bánh cần phải được giám sát độc lập góc quay
Các yêu cầu đo:
- Đo góc quay của 6 cụm bánh
- Góc quay: -90° ÷ +90°
- Độ chính xác: ±0.1% toàn dải
II.2.2 Phương pháp đo
Như phân tích ở lựa chọn phương pháp để đo góc nâng hạ, ta cũng lựa chọn phươngpháp đo góc dựa trên sự thay đổi của điện trở
II.2.3 Sensor
Từ một số loại sensor đo góc dùng trong công nghiệp đã được chuyên đề tìm hiểu(như của hãng Penny and Giles, NovoTechnick, Mobil Elektronik,…), và từ khảo sát
Trang 16hệ thống sensor của xe mẫu COMETTO SYT 3/2G, chuyên đề lựa chọn sensor sau:
530 420-A00A00-00 – hãng sản xuất: Mobil Elektronik
Hình 15 Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik
II.2.4 Hệ thống đo và thu thập tín hiệu từ sensor
a Sơ đồ khối thiết bị
Giống như khối đo góc của các khớp nâng hạ, tín hiệu từ sensor sẽ được truyền trựctiếp về tủ điều khiển trung tâm bằng cáp chuyên dụng Tín hiệu thu được ở dạng điện
áp tương ứng với điện trở sensor tại thời điểm làm việc Tín hiệu được xử lý và đượctruyền về máy tính trung tâm đặt tại cabin để hiển thị
Trang 17MÁY TÍNH TRUNG TÂM
CARD ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
CARD ĐIỀU KHIỂN XOAY TRỤC BÁNH
HỆ THỐNG XOAY TRỤC BÁNH
CẢM BIẾN
ĐO GÓC XOAY TRỤC BÁNH
TỦ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
Hình 16 Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định góc xoay của trục bánh
b Sơ đồ nguyên lý
Giống như sensor đo góc của khớp nâng hạ, tín hiệu từ sensor đo góc quay của bánhtrả ra dưới dạng điện áp từ 0 – 5VDC Điện áp được truyền theo dây cáp tới tủ điềukhiển trung tâm Tại đây, tín hiệu điện áp sẽ được thu thập và xử lý Tín hiệu điện ápnày tương ứng với điện trở của sensor tại thời điểm đo
Trang 18Hình 17 Sơ đồ nguyên lý của 6 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc lái của trục bánh tới tủ điều khiển
trung tâm.
Các sensor được ký hiệu trong bản vẽ thiết kế là RP410.4, RP410.8, RP410.12,RP410.16, RP414.4 và RP414.8 tương ứng với 4 trục nâng hạ 1, 2, 3, 4, 5 và 6 của xe
Trang 19bánh xe
Hình 18 Thiết kế lắp đặt sensor đo góc quay tại một cụm bánh
Sensor được lắp cố định vào trục quay của bánh xe Thanh quay của sensor đượcgắn 1 đầu cố định với sàn xe
Trang 20II.2.6 Bảo vệ sensor
Sensor được có vỏ được là hợp kim nhôm và thép không rỉ nên được bảo vệ an toàntrước sự tác động của môi trường (hơi nước, muối,…)
Dây cáp sử dụng để truyền dẫn tín hiệu là loại cáp chuyên dụng, được bọc bởi vậtliệu chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt
Đầu ra của tín hiệu, nơi mà dây cáp và sensor tiếp xúc với nhau, được bọc kín theochuẩn M12x1 tương tự như với hệ thống sensor đo góc mở nâng hạ
Đầu nối sensor và cáp truyền tín hiệu theo chuẩn M12x1
Hình 19 Bảo vệ cổng xuất tín hiệu của sensor khỏi tác động của môi trường.
III KẾT LUẬN
Chuyên đề nghiên cứu thiết kế hệ thống cảm biến vị trí đã thực hiện được nội dungsau: Phân tích lựa chọn phương pháp đo dịch chuyển và lựa chọn cảm biến cho hệthống nâng hạ và hệ thống lái bánh
o Đo độ cao nâng hạ của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ
o Đo góc quay của trục bánh bằng phương pháp trực tiếp
Phương pháp đo và sensor được lựa chọn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra:
- Phép đo có sai số đạt yêu cầu thiết kế
Trang 21- Hệ thống đo hoạt động tốt trong điều kiện môi trường không khí có nhiều chất ănmòn
- Lắp đặt thay thế thuận tiện
- Giá thành hợp lý
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyển Tấn Phước, “Cảm biến đo lường và điều khiển”, NXB Hồng Đức, 2007
[2] Đỗ Tiến Đạt, “Hướng dẫn Altium Designer”, NXB Giáo Dục, 2009
[5] G Webster, “The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook (Electrical
Engineering Handbook)”, CRC PRESS, 1999
