Các linh kiện sử dụng
Cảm biến encoder
2.5.1.1 Giới thiệu và chức năng của encoder
Cảm biến encoder là thiết bị cảm biến vị trí, cung cấp thông tin về góc quay, đếm xung và số vòng quay Nó cho phép xuất tín hiệu dưới dạng số mà không cần sử dụng bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC).
- Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ.
- Một đèn led làm nguồn phát và 1 mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng.
* Điện áp hoạt động: DC5-24V
* Tốc độ cơ khí tối đa 6000 vòng / phút
* Tần số đáp ứng điện 20K / giây
* Kích thước: Encoder kích thước thân: φ38mm; trục φ6 × 13mm; trục nền: Cao 5mm, φ20mm; cố định lỗ Hình 2- 14 Cảm biến encoder cho: vít M3
* Ba lỗ gắn trên vòng tròn 30, và ba lỗ gắn khác trên vòng tròn 28;
2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ chân của encoder
Encoder có 4 dây điện ra :
Trên đĩa có các lỗ, đèn LED được chiếu lên bề mặt đĩa khi nó quay Ánh sáng từ đèn LED xuyên qua các lỗ, và phía bên kia của đĩa có một mắt thu Mỗi khi mắt thu nhận tín hiệu từ đèn LED, Encoder sẽ trả về một xung.
Triac BTA41 – 800B
2.5.2.1 Giới thiệu và chức năng của Triac
Triac BTA41 - 800B là linh kiện bán dẫn ba cực năm lớp, hoạt động như hai Thyristor mắc song song ngược chiều, cho phép dẫn điện theo cả hai chiều Linh kiện này được đóng gói theo chuẩn TOP3 với ba chân: T1, T2 và G.
Triac BTA41 là một linh kiện lý tưởng cho các mạch chuyển đổi AC, cho phép thực hiện chức năng bật/tắt trong nhiều ứng dụng khác nhau Nó có thể được sử dụng trong các mạch khởi động cảm ứng cho động cơ và bộ điều khiển tốc độ động cơ, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy trong hoạt động.
2.5.2.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân
Chân G : chân kích mở cho Triac
Hai chân Anod 1 , Anod 2 dòng điện có thể chạy theo 2 chiều.
Hình 2- 16 Sơ đồ chân Triac
2.5.2.3 Thông số kỹ thuật Điện áp cưc đại: 800V
Dòng điện thuận cưc đại: 40A Điện áp điều khiển mở van: 1.5V
Dòng điều khiển mở van: 50mA
Nhiệt độ làm việc: -40oC ~ 125oC
2.5.2.4 Nguyên lý hoạt động của Triac
Triac điều khiển có thể được kích hoạt bằng xung dương hoặc xung âm, nhưng do khó khăn trong việc tạo ra nguồn xung âm, nên trong thực tế, các mạch thường sử dụng xung dương Tổ hợp điện áp trên các chân điều khiển của Triac đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của thiết bị.
+ Nếu G(+), B2 (+) hoặc G(-), B2 (+) khi đó dòng điện chạy từ B2 sang B1.
+ Nếu G(-), B2 (-) hoặc G(+), B2 (-) khi đó dòng điện chạy từ B1 sang B2.
IC MOC 3021
2.5.3.1 Giới thiệu chức năng của MOC 3021
MOC 3021 là một opto cáp ly quang, sử dụng điện áp một chiều để điều khiển LED quang Đầu ra của nó là một con triac, có chức năng cách ly giữa mạch công suất và tín hiệu điều khiển, giúp giảm nhiễu và tương thích với các loại vi điều khiển.
2.5.3.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân
Hình 2- 19 Sơ đồ nguyên lý MOC 3021
2.5.3.3 Thông số kỹ thuật Điện áp ngược max V RRM (V)
Dòng vào I F (mA) Điện áp ngõ ra ở trạng thái ngắt V DRM (V)
Diode cầu chỉnh lưu
2.5.4.1 Giới thiệu và chức năng của diode cầu
Diode, với đặc tính dẫn điện một chiều, thường được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều Ngoài ra, diode còn được sử dụng trong các mạch tách sóng và mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động hiệu quả.
Hình 2- 20 Cầu Diode động Trong mạch chỉnh lưuDiode có thể được tích hợp thànhDiode cầu có dạng như hình bên.
2.5.4.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân
• Chân 2,4 : Cấp điện áp vào AC
• Chân 1, 3 : chân ra điện áp DC
2.5.4.3 Nguyên lý hoạt động của Didode cầu
Khi cấp điện áp AC vào hai chân 2 và 4 của mạch cầu, quá trình chỉnh lưu sẽ diễn ra, tạo ra điện áp DC ở chân 1 và 3 Nhờ đó, ta thu được điện áp DC từ mạch cầu.
AC có dạng sóng hình sin với chu kỳ lên và xuống Khi dòng điện AC đi qua cầu Didode, phần chu kỳ âm sẽ bị cắt bỏ, từ đó tạo ra điện áp DC.
LCD 16x2
Màn hình LCD (Liquid Crystal Display - màn hình tinh thể lỏng) là công nghệ hiển thị phổ biến trên nhiều thiết bị Khác với các loại màn hình khác, LCD không tự phát ra ánh sáng mà cần có đèn nền để chiếu sáng.
2.5.5.2 Sơ đồ chân của LCD 16x2
Hình 2- 22 Sơ đồ chân LCD 16x2
2.5.5.3 Chức năng của các chân LCD
Điện trở
Điện trở là đại lượng vật lý phản ánh khả năng cản trở dòng điện của một vật dẫn Nó được xác định bằng tỷ lệ giữa hiệu điện thế ở hai đầu vật thể và cường độ dòng điện chạy qua nó.
+ U là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn, đơn vị Volt (V)
+ I là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn, đơn vị Ampe (A)
+ R là điện trở vật dẫn, đơn vị Ohm (Ω)
Cách đọc giá trị điện trở
Quy ước màu quốc tế :
Màu sắc Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Xanh lá Xanh dương Tím
Xám Trắng Nhũ vàng Nhũ bạc Bảng 2.3 Màu sắc và giá trị điện trở
+ Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu được mô tả qua hình 2.25 sau đây:
Hình 2- 24 Cách đọc giá trị điện trở
Biến trở
Biến trở là thiết bị điện có khả năng điều chỉnh điện trở theo nhu cầu, thường được sử dụng trong các mạch điện để kiểm soát hoạt động Điện trở của biến trở có thể thay đổi thông qua việc điều chỉnh chiều dài dây dẫn bên trong hoặc do các yếu tố tác động như nhiệt độ, ánh sáng, và bức xạ điện từ.
Hình 2- 25 Kí hiệu biến trở
Động cơ AC 1 phase
2.5.7.1 Giới thiệu về động cơ AC 1 phase
Máy điện không đồng bộ là một loại máy điện xoay chiều, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường.
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn sato (sơ cấp) với lưới điện tần số không đổi, dây quấn roto
Dòng điện trong dây quấn rotor của động cơ KĐB 3 pha được tạo ra nhờ sức điện động cảm ứng, có tần số phụ thuộc vào tải trên trục máy, như thể hiện trong Hình 2-27.
Máy điện không đồng bộ, giống như các loại máy điện khác, có khả năng hoạt động theo cả hai chế độ: động cơ điện và máy phát điện, cho phép tính thuận nghịch trong quá trình vận hành.
2.5.7.2 Thông số kỹ thuật của động cơ
Dòng điện (A) Tốc độ quay (v/p) Tốc độ quay của trục đầu ra
Mô – men xoắn Điện áp hoạt động Tần số
Bảng 2- 3 Thông số kỹ thuật của động cơ KĐB 1 phase
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ AC sử dụng phương pháp dò điểm 0 kết hợp với cảm biến encoder để giám sát số vòng quay Để ổn định số vòng quay, thuật toán điều khiển PID được áp dụng, trong khi thông tin về số vòng quay được hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD gắn trên băng tải.
Sơ đồ khối và chức năng của mỗi khối nguồnKhối
Khối vi điều khiển Arduino Uno
Thuật toán PID Khối điều khiển động cơ
Hình 3- 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối nguồn: khối này sẽ cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.
Khối cảm biến encoder: khối này dùng để đếm số vòng quay của động cơ và tính toán các thông số PID.
Khối hiển thị LCD: có chức năng hiển thị tốc độ động cơ để giám sát.
Khối vi điều khiển: có chức năng xử lý các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi.
Thuật toán PID: có chức năng tính toán các thông số để ổn định động cơ.
Khối điều khiển động cơ: có chức năng điều khiển tốc độ động cơ.
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống băng tải điều khiển tốc độ được lập trình trước theo đơn vị vòng/phút thông qua mạch dò điểm 0 Cảm biến encoder được sử dụng để đếm số vòng của động cơ, từ đó tính toán và ổn định tốc độ động cơ bằng thuật toán PID Thông số tốc độ băng tải được hiển thị trên màn hình LCD, giúp người dùng dễ dàng quan sát.
3.2 Thiết kế, tính toán hệ thống
3.2.1 Thiết kế từng khối của hệ thống phần cứng
Sử dụng nguồn USB máy tính 5V – 500mA để cấp nguồn cho Arduino, các cảm biến encoder, LCD, mạch dò điểm 0.
Sử dụng nguồn 220V cho động cơ mắc nối tiếp với domino của triac, mục đích là để kích mở góc của triac để điều khiển động cơ.
Mạch cảm biến tốc độ Encoder 20 xung được thiết kế để sử dụng với
27 dĩa Encoder mica đi kèm có 20 lỗ, tương thích với động cơ giảm tốc
V1, nếu bạn muốn có số xung nhiều hơn có thể thiết kễ dĩa Encoder lớn hơn với số lỗ lớn hơn.
Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý của một mắt phát và một mắt thu hồng ngoại Khi ánh sáng từ mắt phát chiếu tới mắt thu qua lỗ của đĩa encoder, tín hiệu mức cao (5V) sẽ được phát ra từ chân out Ngược lại, khi ánh sáng bị che khuất, chân out sẽ phát ra tín hiệu mức thấp.
(0v). Ưu điểm: Mạch nhỏ gọn dễ sử dụng
Nhược điểm: độ phân giải thấp, điện áp hoạt động thấp.
Cảm biến encoder 600 xung 2 pha AB/ 5 -24V
Hình 3- 3 Cảm biến encoder 600 xung.
Cảm biến encoder 600 xung là loại cảm biến bán dẫn
Cảm biến này nổi bật với độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt, được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Nó có dải điện áp hoạt động rộng từ 5V đến 24V, có thể gắn trực tiếp vào trục động cơ và mang lại độ phân giải lớn.
- Khuyết điểm: Giá thành tương đối cao so với các sản phẩm cùng loại.
- Ứng dụng trong để đo tốc độ, vị trí của động cơ.
Cảm biến encoder 600 xung 2 pha AB được biết đến với tính ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt và độ phân giải cao Thiết bị này rất phổ biến trong ngành công nghiệp và phù hợp để lắp vào trục quay của động cơ hiện tại, do đó chúng tôi đã quyết định chọn lựa sản phẩm này.
Công thức tính tốc độ động cơ qua encoder =
Trong đó: xung là số xung encoder đếm được.
T: là thời gian lấy mẫu.
3.2.1.3 Tính toán lựa chọn động cơ
- Tốc độ băng tải = 2*Pi*R*V
Trong đó : R là bán kính con lăn (cm) , V là tốc độ động cơ = 140(v/p) 140/60 = 2.3 ( v/s).
- Công suất bộ phận công tác băng tải: P ct = (Kw)
Trong đó:F = m*g , m là khối lượng của tải.
- Hiệu suất chung của băng tải: ( các thông số tra bảng trong sách trang bị điện) ηch = 0,95.0,93.0,97.0,993 = 0,83
- Công suất cần thiết cho động cơ : P dc = ƞ
Ta chọn động cơ có công suất 0.3(Kw) = 300(W)
Từ những thông số trên ta quyết định chọn động cơ như đã giới thiệu ở trên.
3.2.1.4 Tính toán lựa chọn Triac
+ Dòng tải chịu đưng (IRMS) = 16A
+ Dòng kích mở triac IGT = 50mA
• Triac BTA41 Hình 3- 4 Triac BTA 16
+ Dòng tải chịu đưng (IRMS) = 40A
+ Dòng kích mở triac IGT = 50mA
=> Ta có động cơ 0.3Kw , trong quá trình tỏa nhiệt lớn nên ta chọn triac có độ bền cao như BTA 41.
Ta gắn thêm điện trở ở chân G của triac nhầm làm chênh lệnh điện áp giữa T1 và
Ta gắn 1 điện trở có giá trị 100 Ω vào chân G.
Hình 3- 6 sơ đồ kích dẫn Triac
- Mạch dò điểm 0 dùng Opto 4N35
Ta đã tiến hành đo và hiện lên máy hiện sóng và đây là kết quả:
Hình 3- 8 Đo dạng sóng ngõ ra của mạch dò điểm
0 - Mạch dò điểm 0 dùng Op –amp 741 :
Hình 3- 9 Mạch dò điểm 0 dùng Op - amp 741
Dạng sóng khi đo trên máy hiện sóng của mạch dùng Op – amp 741
Hình 3- 10 Dạng sóng ngõ ra mạch dùng Op - amp 741
Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy rằng dạng sóng ở cả hai mạch dò điểm 0 sử dụng Op-amp 741 và Opto 4N35 có sự khác biệt Cụ thể, xung ở điểm 0 của mạch sử dụng Opto 4N35 cho kết quả chính xác hơn, với xung rõ ràng và gần đúng với chu kỳ 10ms so với mạch sử dụng Op-amp 741.
Op – amp, vậy ta chọn mạch dò điểm 0 dùng opto 4N35.
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.
Hình 3- 11 Sơ đồ nguyên lý tổng thể
Giải thích nguyên lý hệ thống: Hệ thống được sử dụng bởi vi điều khiển
Arduino Uno được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ AC thông qua phương pháp dò điểm 0 và điều khiển đóng ngắt bằng triac Hệ thống tích hợp cảm biến encoder để đo tốc độ động cơ, cùng với điều khiển PID nhằm ổn định số vòng quay Thông tin về số vòng quay của động cơ được hiển thị trên màn hình LCD với giao tiếp I2C và giao diện máy tính, giúp người dùng dễ dàng quan sát.
Giao diện máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ C# trên phần mềm Visual Studio, với mã lập trình kết nối giữa Arduino và C# để tạo ra giao tiếp hiệu quả Giao diện giám sát cần được thiết kế dễ nhìn, sinh động và khách quan, giúp người dùng nhanh chóng phát hiện các bất thường trong hệ thống và đưa ra giải pháp chính xác Hơn nữa, giao diện cũng phải đảm bảo cập nhật thông tin liên tục để duy trì tính chính xác và kịp thời.
Giao diện gồm những phần:
Giao diện kết nối giữa C# trong phần mềm Visual Studio và Kit Arduino bao gồm hai nút chính: kết nối và ngắt kết nối Nó hiển thị trạng thái kết nối, tên cổng COM sử dụng để giao tiếp, cùng với tốc độ truyền Baud Rate.
Hình 3- 12 Giao diện giao tiếp với Arduino và C#
- Giao diện chính để quan sát tốc độ động cơ.
Hình 3- 13 Giao diện quan sát chính
Giao diện đã được thiết kế hoàn chỉnh với việc tích hợp kết nối và quan sát, thông số được trình bày lớn và rõ ràng, cùng với logo của trường để tăng tính sinh động.
Hình 3- 14 Giao diện hoàn chỉnh
3.2.4.1 Lưu đồ tính toán giá trị PID
Tạo PWM, Timer,khởi tạo
LCD, Tốc độ đặt, khai báo alpha,beta,gamma,Kp, Ki,
Kd, T Đọc dữ liệu từ Encoder
Tính tốc độ động cơ
Ki*T*T + 2*Kd; beta = T*T*Ki - 4*Kd -
Hiển thị lên LCD Điện áp điều khiển động cơ
Hình 3- 15 Lưu đồ tính toán PID
Khi bắt đầu hệ thống, ta khởi tạo timer, LCD và khai báo các biến như Ki, Kd, Kp, alpha, gama, beta, tocdodat Tiếp theo, giá trị tốc độ động cơ được tạo từ PWM và tín hiệu xung từ encoder được đọc để tính tốc độ động cơ Các giá trị gama, alpha, beta được tính theo công thức trong lưu đồ nhằm ổn định điện áp và tốc độ động cơ đã đặt trước Cuối cùng, tốc độ đã ổn định và tốc độ đặt trước được hiển thị trên LCD, cho phép quan sát sai số qua đồ thị trong Arduino.
3.2.4.2 Lưu đồ ngắt timer điều khiển động cơ
Truyền thông số PWM Điều khiển tốc độ động cơ
Hình 3- 16 Sơ đồ ngắt timer, điều khiển động cơ
Giải thích lưu đồ: Ta bắt đầu bật chế độ timer ngắt để truyền thông số của PWM để điểu khiển tốc độ của động cơ.
3.2.4.3 Lưu đồ điều khiển ngõ ra Triac và PWM
Giải thích: Khi đã tính toán các thông số PID để đưa ra điện áp điều khiển Output thì ta tiến hành so sánh nên như output lớn hơn
255 thì cho output về 0, ngược lại nên trong khoảng 255 thì ta tiến
Khi giá trị đầu ra lớn hơn 0, tín hiệu analog sẽ được đọc và đồng thời kích hoạt chân điều khiển Triac lên mức HIGH, cho phép động cơ quay Ngược lại, nếu giá trị đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng 0, cả tín hiệu analog và tín hiệu digital để kích hoạt Triac sẽ đều bằng 0.
Hình 3- 17 Lưu đồ điều khiển triac và PWM
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
Khi thi công hệ thống được chia thành 2 phần là phần cứng và phần mềm.
Thi công PCB với kích thước 15x10 đã hoàn thành và hoạt động hiệu quả, với việc sắp xếp linh kiện và đi dây hợp lý Mạch được thiết kế với hai module tách biệt nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Trong quá trình hàn linh kiện, việc đo thông mạch thường xuyên được thực hiện để đảm bảo không xảy ra đứt dây đồng, và từng module được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi kết hợp toàn bộ mạch.
Khi đã hoàn thành kết nối các đây lại với nhau và tiến hành đóng mạch vào trong hộp nhằm để cho gọn gàng nhất có thể.
Về mô hình là một băng truyền được gia công cơ khí một cách nhỏ gọn khoảng 16kg có gắn 1 động cơ AC 3 pha.
Phần mềm được lập trình trên nền tảng Arduino và được nạp vào Arduino Uno gắn trên mô hình băng truyền Chương trình Arduino xử lý tín hiệu từ cảm biến Encoder để đọc xung, sau đó chip tính toán các thông số PID Dựa trên các thông số này, phần mềm sẽ xuất ra mức điện áp hợp lý để điều khiển góc mở của Triac, từ đó điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo cài đặt trước.
Hình 4- 1 Sơ đồ mạch in module mạch dò điểm 0 và mạch On/off
Hình 4- 2 Sơ đồ mạch in Arduino kết nối với các chân tín hiệu vào/ ra
Sơ đồ mạch in được thiết kế hợp lý với việc bố trí các linh kiện và đi dây hiệu quả Chân nguồn 220V được đi dây với kích thước T40, tuân thủ đúng tiêu chuẩn của mạch công suất.
Danh sách các linh kiện sử dụng:
Bảng 4 - 1 Bảng linh kiện sử dụng
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Hình 4- 3 Lắp ráp và thi công mạch
4.3 Đóng gói và thi công mô hình băng tải
Hình 4- 5 Mô hình băng tải
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
