Đề Tài Hệ Thống Vô Nước Và Đóng Nắp Chai Tự Động (Kèm File PLC + Mach Orcad)

có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùngphương pháp PWM.Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động vớiđi

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC

Chương I : Lý thuyết các thành phần liên quan 1

1 Động cơ DC 1

1.1 Cấu tạo 1

1.2 Nguyên lý hoạt động 3

1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC 3

2 Băng tải 4

2.1 Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải 4

2.2 Nguyên tắc kiểm tra băng tải tốt xấu 5

2.3 Các loại băng tải 5

2.3.1 Băng tải bố NN 5

2.3.2 Băng tải con lăng 7

2.3.3 Băng tải cáp thép 7

2.3.4 Băng tải bố EP 9

2.4 Tỷ lệ truyền của băng tải 9

3 Encoder 10

3.1 Cấu tạo chính của Encoder 10

3.2 Nguyên lý cơ bản 12

4 Các phần tử khí nén 12

4.1 Máy nén khí 12

4.2 Bình trích chứa khí nén 13

4.3 Mạng đường ống dẫn khí nén 13

4.4 Van đảo chiều 13

4.5 Van tiết lưu 19

4.6 Cơ cấu chấp hành 20

4.6.1 Nhiệm vụ 20

4.6.2 Xi lanh 20

5 Động cơ bước 21

5.1 Các đặc tính cơ bản 21

5.2 Ưu điểm của động cơ bước 22

5.3 Nhược điểm của động cơ bước 23

5.4 Phân loại động cơ bước 24

5.5 Cấu tạo chung của đông cơ bước 24

5.6 Nguyên tắc hoạt động 25

6.Cảm Biến 27

6.1 Các khái niệm về cảm biến 27

6.1.1.Phần tử nhạy 27

6.1.2.Chuyển đổi đo lường 27

6.2 Cảm biến đo lường 28

6.2.1 Phân loại cảm biến theo đại lượng vào và ra 28

6.2.2 Phân loại theo tính chất vật lý 28

6.2.3 Phân loại theo tính chất nguồn điện 28

6.2.3 Phân loại theo phương pháp đo 29

6.3 Cảm biến quang 29

6.3.1 Khái niệm cơ bản về ánh sang 29

6.3.2.Cảm biến quang điện 31

6.3.3.Photo Diot 32

6.3.4 Photo transitor 34

6.3.5.Cảm biến phát xạ ( Tế bào quang điện) 35

6.4 Cảm biến điện từ 38

6.4.1.Khái niệm 38

6.4.2.Ứng dụng của cảm biến điện cảm vả cảm biến hỗ cảm 40

7 Khái quát về họ PLC S7-200 của Siemens 41

7.1 Giới thiệu về PLC 41

7.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC S7-200, CPU 224 42

7.2.1 Cấu trúc 42

7.2.2 Nguyên lý hoạt động 43

7.3 High Speed Counter (HSC) 45

7.3.1 Mode 0,1,2 45

7.3.2 Mode 3,4,5 46

7.3.3 Mode 6,7,8 46

7.3.4 Mode 9,10,11 47

7.3.5 Mode 12 48

7.4 Xuất xung tốc độ cao (PWM,PTO) 51

7.4.1 Điều rộng xung 50% (PTO) 51

7.4.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) 52

Chương II : Thiết kế và thi công 55

1.Thiết kế phần cơ khí 55

1.1 Vận hành của toàn hệ thống 55

1.2 Vận hành của từng bộ phận 56

2 Linh kiện sử dụng trong đồ án 60

2.1 PLC 60

2.2 Cảm biến 60

2.3 Động cơ bước 64

3.Thiết kế mạch điều khiển 64

3.1 Khối Nguồn 64

3.2 Khối điều khiển tốc độ động cơ (PWM) và chọn chiều động cơ 64

3.3 Khối Step motor 67

3.4 Khối van khí và đảo chiều van 67

3.5 Khối công tắc hành trình 68

3.6 Khối cảm biến 68

Chương III : Lưu đồ giải thuật và chương trình 69

1 Chương trình chính 69

2 Băng chuyền 1 : Rót nước vào chai 72

3 Băng chuyền 2 : Bộ phận đặt nắp chai 76

4 Băng chuyền 3 : Bộ phận vặn nắp chai 77

5 Băng chuyền 4, 5, tay máy 86

6 Băng chuyền 5 88

Chương IV : Phụ lục 95

có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùngphương pháp PWM.

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động vớiđiện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sửdụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm virộng ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trởxuống

Hình 1.1 Một số loại động cơ trên thực tế

1.1 Cấu tạo:

Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:

− Phần ứng hay Rotor (Armature)

− Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet)

− Cổ góp (Commutat)

− Chổi than (Brushes)

− Trục motor (Axle)

− Bộ phận cung cấp dòng điện DC

Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kíchthích) Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay Đối với động cơ công suất nhỏ,người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều

Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt cácphần tử của dây quấn phần ứng Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổithan – vành góp

Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòngđiện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ

âm, một nửa có cực từ dương)

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:

E = K Φ W (1)

V = E + Ru.Iu (2)

M = K Φ Iu (3)Với:

− E: sức điện động cảm ứng (V)

− Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb)

− Iu: dòng điện phần ứng (A)

1.2 Nguyên lý hoạt động:

Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía bêncực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằngmột lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quaylên cuộn dây, và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổgóp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khimặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng

0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ Do đóphần ứng sẽ được quay quanh trục

Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC

1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC:

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào

nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ

DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là kiểu điều biến độ rộng xung(PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng xung với tần số không đổi mà chỉ thayđổi Ton và Toff

Từ (1),(2) (3) suy ra:

W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4)

Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W thay đổi

"tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường thẳng được)

Hình 1.4: Điều khiển động cơ bằng PWM.

Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình(VAV) Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấpnguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V VAV thay đổi từ VL đến VHtùy theo các độ rộng Ton và Toff

Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung

2 Băng tải:

2.1 Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải:

- Đặt hệ thống băng tải vào đúng vị trí cần lắp đặt

- Dùng thước thủy để căn theo chiều ngang dây tải

- Siết chặt các buloong nền và buloong chân

- Điều chỉnh sơ bộ các bass căng dây ở vị trí căng dây tương đối

- Khởi động động cơ băng tải chạy thử

- Điều chỉnh cho dây băng tải cân chính giữa

- Siết ốc kỹ, tỳ ren điều chỉnh lại đúng vị trí

- Cho hệ thống chạy trong 1 giờ rồi kiểm tra, nếu thấy dây bị sàng thì điềuchỉnh lại

2.2 Nguyên tắc kiểm tra băng tải tốt xấu:

- Băng tải đen bóng, cứng mềm không quan trọng

- Cắt một băng vải nhỏ dài chừng 5cm, kéo dãn đến khi đứt, băng càng tốtkéo dãn càng nhiều

- Ngửi băng tải thấy có mùi thơm, nếu băng tải có mùi thơm khó chịu thì bỏngay

- Lấy mũi nhọn đâm thử, băng tải mà kém thì thủng ngay một lỗ, loại tốt thìkhó thủng và có đàn hồi.

- Băng tốt thì bề mặt ít lồi lõm và không bị vá, sữa chữa

- Đừng tin vào những chữ in trên mặt băng tải

2.3 Các loại băng tải:

− Cường lực chịu tải lớn: chịu lực gấp 5 lần sợi Cotton

− Chịu lực va đập lớn: sợi Nylon là loại sợi tổng hợp chịu sự va đập rất tốtnên các tác động ngoại lực hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng bố

− Chịu axit, chịu nước và một số loại hóa chất khác

− Chống được lão hóa do gấp khúc, uốn lượn nhiều trong sử dụng

− Tăng cường sự bám dính giữa sợi và cao su, đồng thời giảm thiểu việctách tầng giữa các lớp bố

− Rất bền nếu phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp

− Độ dai cực lớn,nhẹ và làm tăng lên sức kéo của motor dẫn đến giảm tiêuthụ điện

Hình 2: Băng tải con lăng

− Băng tải có thể nâng lên hạ xuống để làm đổi hướng vận chuyển

− Lớp cáp thép sẽ được liên kết với nhau bằng một phương pháp đặt biệt,

sự liên kết này giúp cho băng tải không có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong suốt quá trình

sử dụng, cao su mặt và cao su bao phủ cáp thép được chế tạo theo những tính chấtriêng

− Ký hiệu thông thường các loại băng tải cáp thép: ST-500,ST-630,ST-800

và cao nhất tới ST-7000, độ dày có thể lên tới 50mm Băng tải cáp thép thường rấtnặng như loại ST-1000, khổ 1 mét có thể lên tới 25Kg/m Vì vậy thường chỉ dài150m/cuộn

− Băng tải cáp thép chủ yếu sử dụng tại các hệ thống truyền tải có chiều dàilớn trên 300m, do có thể chịu được cường lực rất cao.

Hình 3: Băng tải cáp thép

− Các sợi cáp thép được bố trí song song đều nhau theo chiều dọc băng tải

và rải đều trên toàn mặt băng tải

− Băng tải cáp thép có tỷ lệ dãn dư cực thấp dưới 1% kể cả trong điều kiệntoàn tải

− Băng tải cáp thép có độ bền tuyệt hảo nhất trong các loại băng tải

− Toàn bộ cáp thép trước khi lưu hóa phải được xử lý tráng ngoài tạo bámdính với lớp cao su bao quanh và đây là yếu tố quang trọng nhất khi chọn băng tải Lớpcao su mặt được chế tạo đặc biệt để chống lại các lực xé rách từ mọi hướng

− Có những băng tải thép có tuổi thọ tới 15- 20 năm trong điều kiện vận hành liên tục hiệu quả kinh tế là rất lớn

2.3.4 Băng tải bố EP

− EP ký hiệu là băng tải có vải bố chịu lực bằng sợi tổng hợpPolyester làm sợi dọc và sợi Nylon làm sợi ngang

− Độ dãn băng tải rất nhỏ làm cho hành trình khởi động ngắn hơn dovậy tiết kiệm điện hơn Băng chuyền khởi động êm, đặc biệt là đối với băngchuyền có độ dài lớn.

− Chịu ẩm tốt hơn các loại bố khác, vì sợi Polyester có đặc điểmchịu ẩm, nước rất tốt do đó tuổi thọ băng kéo dài hơn đặc biệt khi gặp ẩmcao, chịu nhiệt rất tốt khi dưới 1500C , chịu hóa chất cực tốt

Với :

N1 : là số vòng quay của buli băng tải

N2: là số vòng quay của động cơ

θ1: là đường kính của buli băng tải

θ2: là đường kính của buli động cơ

3 Encoder:

Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiềuquay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần

quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứngđiện từ (đối với encoder từ) Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang Encoder được chia làm 2loại, là encoder tuyệt đối và encoder gia tăng Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng

Hình 1.5: Một số loại encoder trên thị trường

3.1 Cấu tạo chính của Encoder:

Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường là LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ

bộ phát ( thường là photodiotde hoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trụcquay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đốitượng cần đo tốc độ hay vị trí

Hình 1.6: Cấu tạo thực tế của encoder

Hình 1.7: Cấu trúc đĩa và mắt đọc.

Một encoder thường có các dây sau:

− Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder

Hình 1.8: Dạng sóng ngõ ra của LED thu

Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khi đĩaencoder quay 1 vòng

360 0

A B Z

Hình 1.9: Cấu tạo đĩa quay trong encoder

3.2 Nguyên lý cơ bản:

Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh).Dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led khôngchiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kiacủa đĩa, đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, ta ghinhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lậptrình để thiết bị đo đếm lên 1 Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo Ví dụ

có 1 lỗ tức là khi quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩa khoét N lỗ có nghĩa

1 vòng thu được N xung Như vậy khi đo tốc độ, ta đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ

đó tính được số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc có thể đo chu kì xung) Nếu đo tốc độ caothì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác

Hình 1.10: Quá trình đọc Encoder

4 Các phần tử khí nén:

4.1 Máy nén khí:

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động

cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệtnăng

Phân làm 2 loại :

+ Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar+ Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar+ Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar

+ Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong,máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

+ Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.

4.2 Bình trích chứa khí nén:

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộphận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén

từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suấttiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sửdụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn

4.3 Mạng đường ống dẫn khí nén:

Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khíđến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại:

* Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhàmáy)

* Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dâychuyền hoặc trong máy móc thiết bị)

4.4 Van đảo chiều:

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mởhay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén

Hình 1.26: Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều

* Ký hiệu của van đảo chiều

Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cáio,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, …

Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoàivào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’ Đối với van

có 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vịtrí ‘không’

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b.

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyểnđộng của dòng khí nén qua van Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang

10

Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn

2(A)4(B)

14(Z)

Cửa nối điều khiển 12(Y)Cửa nối điều khiển

Cửa 1nối với cửa 2 Cửa 1nối với cửa 4

Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí

Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiềuHình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2

Trong đó: 5 : chỉ số cửa.

2 : chỉ số vị trí.

Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều:

Van đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2

* Tín hiệu tác động:

Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác độngbằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện

Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’) hay chỉ

từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’)

Trực tiếp bằng đường khí nén vào với 2

đầu nòng van có đường kính khác nhau

Gián tiếp bằng dòng khí nén ra có van phụ

Cừ chặn bằng con lăn tác động 1 chiều

Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

Tác động nam châm điện.

Ví dụ : Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện:

R

1 0

PY

Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1 Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn Khi cuộn Y cóđiện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R Khi cuộn Y mất điện, do tácđộng của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu.

4.5 Van tiết lưu

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi tốc

độ của cơ cấu chấp hành

Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không thay đổi

do đó lưu lượng dòng khí chảy qua cũng

không thay đổi

Van tiết lưu có tiết diện thay đồi:

Lưu lượng dòng khí nén chảy qua van thay

đổi nhờ một vít điều chỉnh làm thay đổi

tiết diện khe hở

Ký hiệu chung:

Có mối nối ren:

Không có mối nối ren:

Van tiết lưu điều chỉnh bằng tay:

Dòng khí nén chỉ có thể đi theo chiều từ A

qua B mà không thể đi theo chiều ngược

lại

Van tiết lưu 1 chiều điều chỉnh bẵng cữ

chặn:

Dòng khí nén chỉ có thể đi 1 chiều từ A

qua B Tuỳ vào vị trí của cữ chặn mà

tiết diện khe hở của van thay đổi làm

cho lưu lượng dòng chảy thay đổi

4.6 Cơ cấu chấp hành.

4.6.1 Nhiệm vụ

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng

cơ học Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay(động cơ khí nén)

Hình 24 Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b)

Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép).

- Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đivào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh

A

•

•

•B

Xilanh quay

- Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay Hai ngõ vào điều khiển để điềukhiển pittong có răng di chuyển qua lại Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1bánh răng làm bánh răng quay Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động

Ưu nhược điểm của khí nén:

Ưu điểm:

− Không gây ô nhiễm môi trường

− Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khínén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp

− Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo

Nhược điểm:

− Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi

− Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn

- Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xungnhập điều khiển và bề dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển

5.2 Ưu điểm của động cơ bước

- Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển

- Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khidây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng)

- Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tincậy, điều khiển vị trí chính xác Với những động cơ bước có cấp chính xác cao

có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bướcđiều khiển kế tiếp

- Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo

- Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổithọ của Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển

-Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khidây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng)

- Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tincậy, điều khiển vị trí chính xác Với những động cơ bước có cấp chínhxác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không giatăng ở bước điều khiển kế tiếp

- Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo

- Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổithọ của động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạcđạn

- Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ

bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thànhđiều khiển thấp

- Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khimang tải trực tiếp trên trục

- Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ vớigiá trị tần số của xung điều khiển động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phầntruyền động cơ khí : bạc đạn

- Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ

bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điềukhiển thấp

- Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khimang tải trực tiếp trên trục

- Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ vớigiá trị tần số của xung điều khiển

5.3 Nhược điểm của động cơ bước

- Có thể xãy ra trạng thái cộng hưởng nếu không được điều khiển thíchhợp

- Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị tốc độrất cao

5.4 Phân loại động cơ bước

Theo các tài liệu kỹ-thuật hiện nay, chúng ta có 3 loại động cơ bước

- Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor –Permanent Magnet Stepper Motor )

- Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor – VariableReluctance Stepper Motor)

5.5 Cấu tạo chung của đông cơ bước

- Gồm một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) dothanh nam châm tạo ra tạo thành hệ thống đường sức kín có hướng đi ra từ cựcbắc và đi vào ở cực nam

- Tính chất lưởng cực của thanh nam châm vỉnh cửu có thể được cảmứng trong từ trường tạo bởi dòng điện khi đi qua cuộn dây quấn Cực tính của

từ trường tạo bởi dòng điện (khi đi qua dây quấn) phụ thuộc vào hướng dòngđiện đi vào dây quấn Tính chất của cục từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện quacuộn dây dẫn

- Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thể quay tự do như phần ứng củamáy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn phần cảmstator

Hình trên cho ta thấy lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cânbằng (tại vị trí trục từ trường của phần cảm và trục từ trường phần ứng thẳng hàng)

Momen quay được tính theo công thức sau :

M = 2R.Fn

Có thể xem động cơ bước hoạt động tương tự như động cơ đồng bộ, với từtrường quay tạo bởi hệ thống xung điện áp cấp tuần tự vào các dây quấn trên các cặpcực từ bố trí liên tiếp lân cận trên stator

5.6 Nguyên tắc hoạt động

- Đa số các động cơ bước là động cơ một pha, hai pha hoặc nhiều pha.Khác với động cơ đồng bộ thông thường là roto của nó không có cuộn dây khởiđộng (lồng sóc mở máy ) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số Roto của động cơ có thể được kích thích hoặc không được kích thích

Sơ đồ động cơ bước m pha

Xung điện áp cấp cho cuộn dây stator

a Xung một cực ; b Xung hai cực

Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khicung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ +U đến –U

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộndây stator theo từng cuộn riêng lẻ hay theo từng nhóm các cuộn dây Trị số vàchiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rotor trong khônggian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây Ví

dụ : nếu các cuộn dây của động cơ trên hình cung cấp cho từng cuộn dây riêng

lẻ theo trình tự 1,2,3 m bởi các xung một cực thì rotor động cơ sẽ có m vị trí

ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình (a))

Trong thực tế để tăng cường sức từ động tổng của stator do đó làm tăng

từ thông và momen đồng bộ , người ta thường cung cấp đồng thời cho hai hoặcnhiều cuộn dây Lúc đó rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng vớivectơ sức từ động tổng F

Trên hình (b) sức từ động F khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn

dây (trường hợp này hai hay nhiều cuộn dây được cung cấp điện một cách đồngthời )

Trên hình (c) sức từ động tổng F khi cung cấp đồng thời cho ba cuộn dây(một số lẻ cuộn dây) Trong cả hai trường hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộndây và cung cấp cho một số lẻ cuộn dây ), rotor động cơ bước sẽ có m vị trí cânbằng

Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rotor được tính :

- Nếu cung cấp theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số chẳn cuộndây,

Ví dụ : 1&2 – 2 – 2&3 – 3 – m thì số vị trí cân bằng của rotor sẽ tăng gấpđôi là 2m

- Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một sốchẵn cuộn dây hay một số lẻ cuộn dây) được gọi là đối xứng

- Nếu số lượng cuộn dây luôn luôn thay đổi (ví dụ : điều khiển theo trình

tự chẵn – lẽ – chẵn … ) được gọi là không đối xứng

Số bước trong khoảng từ 0 đến 360o là :

K = m n1 n2 p

Trong đó : p : là số đôi cực của rotor

m : làsố cuộn dây điều khiển trê stator n1: là hệ số ( n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng ,

n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng) n2 : là hệ số ( n2 = 1 ứng với điều khiển bằng xung một

cực)

n2 = 2 ứng với điều khiển bằng xung hai cực)

Với bước quay của rotor trong không gian thì :

α = 360o

6.Cảm Biến:

6.1 Các khái niệm về cảm biến:

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển, mọi quá trình điều khiển đặc trưngbởi các biến trạng thái Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điệnnhư: nhiệt độ , áp suất, lưu lượng, tốc độ…

Để thực hiện quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đođạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên làcác thiết bị cảm biến Để hiểu rõ về cảm biến ta cần nắm được một số khái niệm vàđịnh nghĩa sau :

6.1.1.Phần tử nhạy:

Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu trực tiếp của đại lượng đo Phần tử nhạykhông có đặc tính riêng Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia

6.1.2.Chuyển đổi đo lường:

Là một khâu cùa thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra

Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng( biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác).

6.2 Cảm biến đo lường:

Là phương tiện ( thiết bị) đo thực hiện biến đổi ở đầu vào thành tín hiệu ra thuậnlợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ

số liệu (nhưng không quan sát được)

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học vàứng dụng kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các cảm biến tăngnhanh và đa dạng Với mục dích nghiên cứu và ứng dụng có thể phâm loại cảm biếntheo các phương pháp sau:

6.2.1 Phân loại cảm biến theo đại lượng vào và ra

− Cảm biến điện _ điện : trong đó các đại lượng vào và ra là các thông số điện

− Cảm biến không điện _ điện: là cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đạilượng không điện là áp suất, nhiệt độ , lưu lượng ,… Thành các hông số như điệntrở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động …

− Cảm biến khí nén _ điện : được ứng dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất,các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy nổ

6.2.2 Phân loại theo tính chất vật lý

− Cảm biến điện trở

− Cảm biến điện từ

− Cảm biến tĩnh điện

− Cảm biến nhiệt điện

− Cảm biến điện tử_ion

− Cảm biến hóa điện

− Cảm biến y sinh

6.2.3 Phân loại theo tính chất nguồn điện

− Cảm biến phát điện (Active)

− Cảm biến thụ động (Passive)

6.2.3 Phân loại theo phương pháp đo

− Cảm biến biến đổi trực tiếp

− Cảm biến kiểu bù

− Tính chất hạt của thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Trong vật chất,các điện tử liên kết trong nguyên tử để trở thành điện tử tự do.

− Nói chung, loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bảnchất vật liệu chiếu sáng.Khi chiếu sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh thiết, cácđiện tích được giải phóng là cặp điện tử _ lỗ trống Với bán dẫn pha tạp khi bị chiếusáng nó sẽ giải phóng điện tử và lỗ trống tùy thộc vào chất pha tạp

− Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứngquang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu Đó là nguyên lý cơ bảncủa các cảm biến quang

− Các đơn vị đo năng lượng:

+ Năng lượng bức xạ Q: Là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thudưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J)

+ Quang thông : là công suất hấp thụ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oát( W) là đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng :

+ Cường độ sáng I : là nguồn năng lượng phát ra theo một hướng cho trướcdưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oát/steradian:

+ Độ chói năng lượng (L) : là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi mộtphần tử bề mặt dA theo một hướng xác dịnh và diện tích hình chiếu vuông góc vớiphần tử bề mặt dAn; có đơn vị là oát/steradian.m2

+ Độ rọi năng lượng (E): là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi mộtphần tử bề mặt và diện tích của bề mặt đó Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2

− Đơn vi đo thị giác:

+ Mắt người cảm nhận ánh sáng có phổ từ 0,38um đến 0.76um với độ nhạy tương đối phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

+ Độ nhạy của mắt cực đại ở bước song = 0.555um và giảm về hai phía

+ Nguồn sáng bao gồm:

Đèn sợi đốt là một sợi wonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặcthạch anh chứa khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt

Ưu điểm của đèn sợi đốt là dải phổ rộng nhưng hệ suất phátquang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ và dộ bền cơ học thấp.

Diot phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó nănglượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử_lỗ trống gần phần chuyển tiếp N_Plàm phát sinh ra các photo Đặc điểm của đèn LED là thời gian hồi đáp nhỏ cỡ

ns Có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi

Quang thông của LED nhỏ ( cỡ mW) và nhạy với nhiệt độ , do

đó hạn chế phạm vi sử dụng của đèn

Laze là nguồn sáng đơn sắc có định hướng và đặc biệt là tínhliên kết mạnh ( cùng phân cực, cùng pha) vì vậy khi chồng chéo lên nhau chúngtạo thành một sóng duy nhất và xác định

Laze có bước sóng đơn sắc , thông lượng lớn độ định hướng cao

và truyề đi xa với khoảng cách lớn

6.3.2.Cảm biến quang điện.

Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tínhchất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cùa chúng

− Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thônglượng bức xạ và phổ bức xạ đó

− Tế bào quang dẫn là càm biến quang điện có độ nhạy cao Cơ sở vật lý của tếbào quang điện là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong Đó là hiệntượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độdẫn điện của vật liệu

Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhấthoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:

− Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe

PbS, PbSe, PbTe

− Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In

SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe

• Các tính chất cùa cảm biến quang điện.

− Điện trở tối R0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước , nhiệt độ và bản chấtcủa vật liệu

Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có điện trở tối từ 104 đến 109 ở 250C

SbIn, SbAs có điện trở tối từ 10 đến 103 ở 250C

− Độ nhạy: Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn được định nghĩa theo biểu thức:

Ví dụ: Điện áp đặt U=10v , diện tích bề mặt tế bào bẳng 1cm2

Độ nhạy phổ khoảng 0.1 đến 10A/W

6.3.3.Photo Diot.

− Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại n và loại p ( vùng chuyển tiếp P_N) tạo nênvùng nghèo hạt dẫn vì ở tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb (hình10) Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên vùng chuyển tiếp (U=0) dòng điện quachuyển tiếp I=0

Hình 10 : Cấu tạo của photo diot

− Khi đặt một điện áp lên diot, vói điện áp ngược đủ lớn Ud >> , chiều cao củahàng rào thế tăng lên và tên diot chỉ còn dòng điện ngược Ir = I0 (I0 – dòng điện tối)

− Khi chiếu sáng diot bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặpđiện tử _ lỗ trống, dưới tác dung của điện truong các cặp điện tử _ lỗ trống chuyểnđộng và dòng điện ngược Ir tăng lên rất nhanh.

− Các vật liệu dùng chế tao Photo diot là Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn thấy) vàGaAs, InAs, InSb ( vùng hồng ngoại)

cực ngược) trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổi không đáng kể

• Khi phần chuyển tiếp B_C được chiếu sáng , sự hoạt động của phototransitor giống như photo diot ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược:

Ir = I0 + IpVới : Ir : dòng điện ngược

− Số lượng điện tử phát xạ tỷ lệ với số photon chiếu vào cực cactot

− Cảm biến phát xạ được phân thành:

+ Tế bào quang điện chân không

+ Đèn ion khí

+ Bộ nhân quang điện

− Cơ chế hoạt động cùa tế bào quang điện như sau:

− Khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào, catot hấp thụ photon và giải phóngđiện tử , các điện tử này di chuyển lên bề mặt và thoát ra ngoài

− Các vật liệu dùng làm photon cactot là:

+ AgOCs nhạy với vùng hồng ngoại

+ Cs2Sb, K2CsSb nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại

Tế bào quang điện chân không là một ống hình trụ được hút chân không tới áp suất

10-6 đến10-8 mmHg Trong ống đặt một cactot có khả năng phát xạ khi được chiếu

sáng và một anot như Hình 14 Hình 14 : Tế bào quang điện

Tế bào quang điện có khí cấu tạo tương tự như chân không , bên trong đènđược điền đầy khí trơ (argon), với áp suất cỡ 10-1 đến 10-2 mmHg

• Bộ nhân quang:

− Khi bề mặt chất rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng lượng đủ lớn, nó có thểphát xạ các điện tử (phát xạ thứ cấp)

Hình 15 : Sơ đồ thiết bị nhân quang

− Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số điện tử tới sẽ có khả năng khuếch đạitín hiệu Sự khuếch đại này ứng dụng làm thiết bị nhân quang

− Các điện tử tới ( điện tử sơ cấp) được phát xạ từ một photo catot đặt trongchân không bị chiếu sáng Chúng được tiêu thụ trên điện cực thứ nhất của dãy các điệncực Bề mặt các điện cực phủ vật liệu có khả năng phát xạ thứ cấp Các điện cực mắcnối tiếp nhau với điện thế tăng dần thông qua các điện trở sao cho các điện tử bị hútlien tiếp bởi các điện cực tiếp theo làm số điện tử thứ cấp tăng lên

− Dạng cáp quang đơn giản bao gồm một lõi có chiết suất , bán kính và vỏ Vậtliệu chế tạo cáp quang là:

+ SiO2 tinh thiết hoặc pha tạp

+ Thủy tinh , thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3 , B2O3.

+ Polime.

Ứng dụng của cảm biến quang:

− Sơ đồ Hình 16a dùng điều khiển trực tiếp rơle , hình 16b điều khiển thông qua

transitor khuếch đại.Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển là khi chưa có ánhsang chiếu vào tế bào quang dẫn , dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ đểrơle tác động Khi bị chiếu sáng , điện trờ của quang dẫn giảm đi rất nhanh dòng điệnqua quang dẫn tăng lên đủ lớn để rơle tác động

Hình 16: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle

• Ứng dụng photodiot và transitor trong điều khiển:

− Tùy thuộc vào mục đích sử dụng photo diot và photo transitor ta có thể thựchiện các đại lượng khác nhau hoặc điều khiển trong quá trình sản xuất như: quay tốc

độ quay cùa động cơ đếm số lượng vật , đo cường độ ánh sáng, điều khiển đóng mởcác rơle…

Hình 17 : Ứng dụng transitor quang đóng mở các rơle

− Hình 17 là sơ đồ ứng dụng photo transitor trong chế độ chuyển mạch để điều

khiển

− Trong trường hợp này người ta sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân : có haykhông có ánh sáng hoặc ánh sáng lớn hơn hoặc nhỏ hơn ngưỡng chiếu sáng Transitorkhóa hoặc thông cho phép điều khiển trực tiếp hoặc qua khuếch đại như một rơle, điều

khiển cổng logic hoặc thyristor Hình 18 ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di

chuyển và tốc độ quay

Hình 18 : Ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di chuyển và tốc độ quay

− Ngoài ra có thề ứng dụng photo transitor đề chế tạo ra dụng cụ đo ánh sáng

− Cảm biến điện từ được phân thành: cảm biến điện cảm, cảm biến kiểu biến áp

và cảm biến cảm ứng

− Cảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường kính từ 0,02mm đến0,1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí( mạch từ hở) với các dạng khácnhau

− Dưới tác động của đại lượng đo (Xv) phần ứng 3 dịch chuyển làm cho khe hởkhông khí D thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ ( Rm) thay đổi và điện cảm L( hoặctổng trở Z) cũng thay đổi theo Mạch từ được làm bằng thép dẫn từ như Ferit

Hình 21: Cảm biến hỗ cảm

− Cảm biến hỗ cảm có đặc tính phi tuyến khi D thay đổi và tuyến tính khi tiếtdiện S thay đổi Ngoài ra độ nhạy cảm của cảm biến tăng khi tần số nguồn cung cấptăng Sai số của cảm biến gây nên do nguồn cung cấp điện áp không ổn định, điện áp