Đồ án Quá trình tìm hiểu chung về công nghệ điều khiển cửa tự động

phần I Chương I :Tìm hiểu chung về công nghệ điều khiển cửa tự động I : Các loại cửa Tự động hiện nay Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo,cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt.... Nhưng chúng thường được sản xuất ở nước ngoài bán tại việt nam với giá thành khá cao. Vì thế chúng không được sử dụng rộng rãi. Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam là rất lớn về số lượng và chủng loại. 1.1. Cửa cuốn: Hình 1.1. Cửa cuốn Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất nhỏ. Loại cửa này thường được dùng cho gara ô tô. Nó có tính kinh tế khá cao vì không mấy khó khăn khi làm được loại cửa này. Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hỏng hơn các loại cửa khác 1.2. Cửa kéo: Hình 1.2. Cửa kéo Loại cửa này nhìn rất lạ, với kết cấu đơn giản một động cơ được gắn cố định với trần nhà. Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây. Ưu điểm của loại này là đơn giản nhưng hiệu quả, so với loại cửa cuốn thì cánh cửa chắc hơn nhiều. Có lẽ nhược điểm của loại cửa này là động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cửa. Vì vậy trong thực tế người ta ít sử dụng loại cửa kéo này do nhược điểm là phải gắn đủ chắc để chịu sức nặng nếu không sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng. 1.3. Cửa trượt Hình 1.3. Cửa trựơt Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh trượt cố định cho phép cánh cửa thể trượt qua trượt lại. Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn, cơ quan hay sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại... Loại cửa này có ưu điểm là kết cấu khá nhẹ nhàng,tạo ra một cảm giác thoáng đạt và thoải mái và lịch sự rất thích hợp với nhưng nơi công cộng, cơ quan... Loại cửa này thiết kế rất toàn vẹn, nó có thể nhận biết được người, máy móc cũng như loài vật có thể đi qua. Nhược điểm của loại cửa này là độ chắc chắn không cao , nhẹ nhàng nhưng không có nghĩa là gọn gàng mà ngược lại có khi lại rất cồng kềnh Nhưng trên thực tế loại cửa này lại được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay. II. KHẢO SÁT CÁC LOẠI CỬA TỰ ĐỘNG Ở HÀ NỘI Thông qua việc quan sát, tìm hiểu về cửa tự động ở một số địa điểm trên Hà Nội hiện nay, ta nhận thấy cửa tự động được sử dụng chủ yếu ở những nơi giao dịch thương mại, những công sở lớn, ở sân bay, ngân hàng và các khách sạn lớn. Sở dĩ như vậy là do những nơi này có lượng người qua lại lớn, đồng thời những nơi này lại yêu cầu có tính hiện đại, sang trọng và tiện dụng. Sử dụng cửa tự động tại những nơi này sẽ phát huy được tất cả những ưu điểm của nó. Tuy nhiên cửa tự động cũng có rất nhiều loại tuỳ theo yêu cầu về mục đích sử dụng như trọng lượng cửa, chiều cao hay phần mạch điều khiển cửa. Theo trọng lượng cửa thì có các loại sau: loại 200 kg/hai cánh tại Cung văn hoá hữu nghị Việt Xô,loại 180kg/2 cánh tại ngân hàng nông nghiệp và phát triển nông thôn.Ngoài ra người ta còn chia ra làm hai loại theo số cánh cửa:Loại một cánh và loại hai cánh. + Cửa tự động chỉ có 1 cánh: Loại cửa này chủ yếu được dùng trong 2 điều kiện như sau: Một là, những nơi yêu cầu tính hiện đại, sang trọng nhưng lại có số lượng người đi qua lại không nhiều như các khác sạn lớn, nhà nghỉ lớn, hay công sở mà không có tính chất giao dịch Hai là, những loại cổng có kích thước lớn dùng ở các công ty, xí nghiệp hay những ngôi nhà lớn Ngoài ra còn có thể có loại cửa tự động mà chỉ có 1 cánh đóng mở tự động còn lại 1 cánh là đóng mở như loại bình thường. + Cửa tự động có hai cánh: Loại cửa này được dùng rộng rãi hơn so với loại cửa tự động 1 cánh. Nơi có số lượng cửa tự động lớn nhất hiện nay tại Hà Nội đó là sân bay Nội bài. ở đây loại cửa được sử dụng chủ yếu là loại cửa trướt hai cánh. Để tìm hiểu rõ hơn ta đi khảo sát cửa tự động tại đây. Khảo sát cửa tự động ở sân bay Nội Bài - Hà Nội Hình 1.4. Cửa tự động tại sân bay Nội Bài Trước cửa ra vào nơi bán vé và làm thủ tục bay của sân bay Nội Bài cả tầng 1 và tầng 2 mỗi tầng có 14 hệ thống cửa tự động .Tất cả các cửa này đều có kết cấu cơ khí và hình dạng bên ngoài giống nhau do hãng PORTALP chế tạo. Cửa tự động tại đây sử dụng hệ thống cửa hai cánh với kích thước cửa Cao: 2.5m Rộng: 3m Độ rộng cửa khi mở hoàn toàn: 1.5m Cuối hành trình mở có đặt một công tắc hành trình để bảo vệ tránh cho cửa không chuyển động vượt quá hành trình. Quan sát cửa chuyển động em thấy cửa chuyển động với ba cấp tốc độ. Khi mở cửa cửa mở ra với vận tốc nhanh để kịp thời mở ra tránh tình trạng người phải chờ đợi cửa mở gây cảm giác khó chịu cho người muốn đi vào, gần hết hành trình mở cửa giảm tốc và dừng lại, khi cửa đóng cửa đóng với vận tốc chậm hơn so với lúc mở để tránh gây cảm giác cho người muốn đi vao từ đằng xa.Gần hết hành trình cửa giảm tốc và dừng lại chính xác. Khi mở ra khoảng trễ thời gian là khoảng 5 giây nếu ko có tín hiệu thì cửa sẽ đóng lại. Khoảng cách xa của tín hiệu cảm biến là khoảng 2m. Khi cửa đang đóng mà có tín hiêu người đi vào thì cửa sẽ mở ra với vận tốc nhanh sau gần cuối hành trình thì giảm tốc và dừng lại chính xác ở cuối hành trình.Cảm biến dùng ở đây là hai cảm biến quang:Một cảm biến đặt ở phía bên ngoài, một cảm biến đặt ở phía bên trong của cánh cửa để đảm bảo nhận biết và báo tín hiệu khi có người đi từ trong ra cũng như khi có ngừơi đi từ ngoài vào.Hai cảm biến này trên khung cánh cửa. iii. Công nghệ cửa tự động Qua tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế em thấy một hệ thống cửa tự động phải đảm bảo yêu cầu công nghệ: Khi có tín hiệu người cửa sẽ lập tức mở ra Khi mất tín hiệu người sau một khoảng thời gian trễn nhất định cửa sẽ tự động đóng lại Khi cửa đang đóng lại mà có tín hiệu người thì cửa sẽ mở ra Trong hành trình mở cửa mở với hai cấp tốc độ cấp thứ nhất la mở nhanh với vận tốc V1 để ngay lập tức mở ra kịp thời cho người đi tới. Đến gần cuối hành trình cửa giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác để tránh việc va đập gây ồn và hỏng cửa Trong hành trình đóng cửa cũng đóng với hai cấp tốc độ, cấp thứ nhất là cửa đóng nhanh với vận tốc V2 nhưng phải đảm bảo V2 nhỏ hơn V1 để tránh gây cảm giác ghê sợ cho người đang đi tới. Và gần cuối hành trình đóng cửa cũng giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác. Chương II : Tìm hiểu về các phần tử, thiết bị dùng trong cửa tự động I.Các phương pháp phát hiện vật thể Vấn đề phát hiện vật thể là một trong những vấn đề cơ bản trong đề tài thiết kế, điều khiển cửa tự động. Để phát hiện vật thể chúng ta có thể áp dụng rất nhiều nguyên tắc vật lý khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về một sốphương pháp phát hiện vật thể điển hình. 1.1 Phương pháp phát hiện vật thể ứng dụng công nghệ vi sóng Phương pháp phát hiện vật thể ứng dụng vi sóng được thực hiện thông qua các cảm biến vi sóng. Cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo di chuyển tốc độ, chiều chuyển động, khoảng cách, phát hiện vật thể . Cảm biến vi sóng được chia thành năm loại: - Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượng chuyển động đi vào vùng bảo vệ. - Cảm biến tốc độ đo tôc độ di chuyển của đối tượng. - Cảm biến phát hiện hướng chuyển động của đối tượng (chạy tiến, chạy lùi). - Cảm biến tiếp cận: phát hiện sự hiện diện của đối tượng. - Cảm biến khoảng cách đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng. Các đặc điểm cơ bản của cảm biến vi sóng: - Không tiếp xúc cơ khí: Do có đặc tính này mà cảm biến vi sóng có thể làm việc trong các môi trường độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim loại như sợi thuỷ tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tượng bằng cactông... - Bền vững: Cảm biến siêu âm không có bộ phận chuyển động, có thể được bọc kín nên có thể chống được tác động cơ học. - Vùng tác động rộng: Cảm biến siêu âm có thể phát hiện các đối tượng xa từ 25 mm đến 45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thước của đối tượng, công suất nguồn và anten. - Kích thước nhỏ: Mặc dù có kích thước lớn hơn cảm biến tiếp cận điện cảm, điện dung nhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thước, giá thành. - Kích thước mục tiêu: Cảm biến siêu âm phù hợp với mục tiêu phát hiện kể cả mục tiêu nhỏ như một hạt cát. - Môi trường làm việc: Có thể làm việc trong điều kiện môi trường khó khăn từ -55 tới +125 độ C, môi trường bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại. Nguyên lý hoạt động của cảm biến vi sóng: Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính:nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử lý tín hiệu. Thông thường máy phát và máy thu được đặt trong cùng một module. Máy phát chứa diode Gunn lắp trong một hốc cộng hưởng nhỏ, có nguồn năng lượng và dao động ở tần số cao cỡ Ghz. Công suất phát cỡ 10 đến 20 mW, công suất nguồn một chiều 8V, 150mA. Đầu cuối ống dẫn sóng được nối với anten. Anten tụ tiêu chùm tia, mỗi anten có dải thông và hệ số khuếch đại xác định. Khi đập vào đối tượng chùm sóng được phản hồi lại module. Khi tia phản xạ lại máy thu diode trộn sẽ phối hợp với một phần tín hiệu phát. Nếu mục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và trở về khác nhau. Tín hiệu đến máy thu cỡ W đến mW cần được khuếch đại. Ngoài khuếch đại, so sánh có thêm mạch relay đầu ra để phù hợp với ứng dụng. Với những đặc tính trên cảm biến vi sóng rất hiệu quả trong việc phát hiện những mục tiêu, những vật thể chuyển động có kích thước nhỏ, ở khoảng cách xa. Tuy nhiên với những vật thể không di động việc sử dụng vi sóng thường không đem lại hiệu quả như mong muốn, chi phí cho phương pháp này cũng khá tốn kém. 1.2 Phương pháp phát hiện vật thể dựa trên hiệu ứng quang điện Trong phương pháp này việc phát hiện vật thể được thực hiện thông qua các cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện là các linh kiện quang điện, thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó. Cảm biến quang điện bao gồm một số loại sau. 1.2.1 Tế bào quang dẫn Đặc trưng cơ bản của tế bào quang dẫn là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ đó. Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng. 1.2.2 Photodiode Nguyên lý hoạt động của photodiot: Khi chiếu sáng lên bề mặt diode bán dẫn bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng < sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I, cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dời của các điện tử đó kéo theo sự gia tăng của các dòng điện ngược. Để đạt được điều đó ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua bề dày của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không nhiều. Càng đi sâu vào chất bán dẫn quang thông càng giảm. Diode thực tế có lớp bán dẫn rất mỏng để sử dụng ánh sáng hữu hiệu, đồng thời vùng nghèo cũng phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại. Photodiot hoạt động theo hai chế độ quang dẫn và quang thế. 1.2.3 Phototranzito Phototranzito là tranzito silic loại NPN trong đó vùng bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt trên bazơ chỉ có điện áp trên C, chuyển tiếp B - C phân cực ngược. Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ lên chuyển tiếp B - C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B không đáng kể = 0.6 - 0,7 V. Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sẽ hoạt động giống photodiode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược =+. Trong đó là dòng điện ngược trong tối, là dòng quang điện khi có quang thông chiếu qua bề dày X. Dòng đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ =(+1) . là hệ số khuếch đại dòng khi emitơ nối chung. Có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiot và một tranzito. photodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khuếch đại . Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B-C. Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thường được sử dụng như một khoá chuyển mạch đóng cắt mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng cần phát hiện. Tuy nhiên cảm biến quang điện chỉ được sử dụng để phát hiện vật thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác. 1.3 Phương pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh Các cơ thể sống được thiên nhiên ban tặng cơ quan thị giác vô cùng tinh tế. Muông thú, các loài chim và côn trùng có cặp mắt rất tinh tế để kiếm mồi. Việc nhận dạng dựa trên rất nhiều yếu tố như hình dáng, kích thước, màu sắc hay những đặc điểm có tính chất đặc trưng. Ngày nay chúng ta đã có thể chế tạo ra những hệ thống nhận dạng nhân tạo tuy nhiên chưa thể so sánh được thị giác và khả năng xử lý của bộ não con người. Trong mục này sẽ giới thiệu hệ thống nhận dạng hình ảnh bằng phương tiện camera thông dụng phối hợp với kỹ thuật phân tích, nhận dạng hình ảnh nhằm tạo nên hệ thống cảm biến hình ảnh dễ sử dụng cho quá trình phát hiện vật thể. Nguyên lý cảm nhận hình ảnh: Khi ánh sáng đập vào bề mặt một vật thì một phần ánh sáng bị phản xạ, một phần bề mặt bị hấp thụ hoặc truyền dẫn vào vật. Tỷ lệ các bước sóng ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc tới, đặc tính lý hoá của bề mặt và sự phân cực ánh sáng. Do vậy phân bố phổ ánh sáng phản xạ cho ta thông tin về đặc tính lý hoá của bề mặt. Đương nhiên đối mắt người chỉ cảm nhận được bước sóng nằm trong khoảng 380 nm đến 780 nm. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để khai thác thông tin của tín hiệu phản xạ: - Kỹ thuật phân tích phổ dùng máy phân tích phổ để đánh giá tính chất của bề mặt chiếu sáng. - Kỹ thuật phổ ảnh quan tâm đến đặc tính hoá học của từng miền ánh sáng xuyên qua. Hệ thống cảm nhận hình ảnh bao gồm: camera, nguốn sáng chiếu sáng đối tượng, máy tính được tích hợp phần mềm thông minh và kết nối với các thành phần khác của hệ thống. Đối tượng quan sát được chiếu sáng và tụ tiêu vào camera và truyền đến máy tính. Camera thu loại thông dụng cảm nhận tín hiệu ba màu cơ bản: R (Red- màu đỏ, bước sóng 700nm), G (Green- màu xanh lá cây, bước sóng 546nm) và B (Blue- màu xanh da trời, bước sóng 436nm). Một số camera sử dụng bộ lọc màu để phân tích các màu R, B, G rồi mới đưa vào máy tính xử lý. Tính ổn định của là đặc tính quan trọng của camera. Độ nhạy và đáp ứng phổ của silicon thay đổi theo nhiệt độ nên vị trí đặt camera cần có điều hoà nhiệt độ. Nguồn sáng sử dụng là ánh sáng mặt trời, nếu trong môi trường không có ánh sáng mặt trời thì dùng đèn sợi đốt với diện tích hẹp và đèn huỳnh quang cho vùng chiếu sáng rộng. Máy tính sau khi nhận được tín hiệu hình ảnh từ camera sẽ phân tích và nhận dạng hình ảnh bằng phần mềm. Ngày nay với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và mạng nơron thì hệ thống nhận dạng hình ảnh càng chính xác, đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên phương pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh không được sử dụng nhiều trong thực tiễn do thiếu sự tin cậy, phức tạp và chi phí cao. 1.4 Cảm biến tiếp cận Cảm biến tiếp cận được sử dụng để sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. Các cảm biến tiếp cạn sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay thay đổi điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng, có cấu trúc tương đối đơn giản, không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động hạn chế với khỏng cách tối đa 100 nm. Các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. 1.4.1 Cảm biến tiếp cận điện cảm Một bộ cảm biến tiếp cận điện cảm gồm bốn khối chính: cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra. Mạch dao động phát dao động điện từ công suất radio. Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucault cảm ứng trên mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động. Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến, biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡng và bộ phát hiện trở về vị trí bình thường. Phạm vi của cảm biến tiếp cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt cảm biến và đối tượng, liên quan đến hình dáng của lõi và dây quấn. 1.4.2 Cảm biến tiếp cận điện dung Trong cảm biến tiếp cận điện dung, sự có mặt của đối tượng làm thay đối điện dung C của các bản cực. Cảm biến tiếp cận điện dung cũng gồm bốn bộ phận chính là cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra. Tuy nhiên cảm biến tiếp cận điện dung không đòi hỏi đối tượng là kim loại. Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại; thuỷ tinh, nhựa. Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối tượng có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn. Hạn chế yếu của cảm biến điện dung là chịu ảnh hưởng của độ ẩm và bụi. Cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến tiếp cận điện cảm. Để có thể bù ảnh hưởng của môi trường và đối tượng, cảm biến tiếp cận điện dung thường có một chiết áp điều chỉnh. 1.4.3 Cảm biến tiếp cận quang học Các cảm biến quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. Người ta thường bố trí cảm biến quang học như dưới đây. a. Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia. Ưu điểm của cách bố trí này là: - Cự ly cảm nhận xa. - Có khả năng thu được tín hiệu mạnh. - Tỷ số tương phản sáng/tối lớn nhất. - Đối tượng phát hiện có thể lặp lại. Hạn chế của cách bố trí này là: - Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến - Khó chỉnh thẳng hàng giữa cảm biến và nguồn sáng. - Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia cần có thấu kính để thu hẹp chùm tia. Cảm biến Đối tượng b. Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát sáng Trong cánh bố tris này, ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về mặt cảm biến.Vì hành trình của tia sáng theo cả hai chiều đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nối qua khu vực cảm nhận. Hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác động sai. Cảm biến Nguồn sáng Gương phản xạ Cảm biến Nguồn sáng Gương phản xạ Vật thể c. Phát hiện đối tượng nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò gương phản chiếu. Trong trường hợp này đối tượng đặt khá gần nguồn sáng. Cảm biến Nguồn sáng Cảm biến Nguồn sáng Vật thể Khi có vật thể trong vùng hoạt động, cảm biến sẽ thu được ánh sáng phản xạ từ vật thể. Với những đặc điểm trên, cảm biến tiếp cận chỉ được sử dụng để phát hiện vật thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác. 1.5 Cảm biến hồng ngoại Hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng lớn hơn bước sáng của tia đỏ (> 760 m). Sóng hồng ngoại được tạo ra dễ dàng bằng cách tạo dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng. Do đó hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tia hồng ngoại với bản chất sóng điện từ nên có thể phản xạ khi gặp bề mặt vật thể. Ta có thể ứng dụng đặc điểm này để phát hiện vật thể. Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên nguyên lý thu phát hồng ngoại ta bố trí các diode phát và sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theo một số cách sau: a. Bố trí cạnh nhau: Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát khi gặp bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược trở lại. Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu phản xạ này. b. Bố trí đối diện : ở cách bố trí này, khi không có vật chắn tia hồng ngoại từ diode phát luôn tới được sensor thu, khi có vật chắn tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà phản xạ trở lại do đó không tới được sensor thu. Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do có khả năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường do đó có thể mang thông tin mã hóa. Thiết bị thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ. Với những ưu điểm trên hồng ngoại được lựa chọn như một giải pháp tối ưu trong việc thiết kế mạch phát hiện vật thể cho cửa tự động. II: giới thiệu về encorder 2.1. Khái niệm: Nhiệm vụ của Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc của một cơ cấu chuyển động bất kì. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng số. Encoder được sử dụng chủ yếu trong các máy CNC và robot dùng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi. Hình 2.1. Encoder kiểu quay Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà ta có hai kiểu Encoder thẳng và Encoder quay. Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau nhưng Encoder thẳng có điểm khác cơ bản với Encoder kiểu quay là chiều dài của Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước. Encoder quay chỉ là một đĩa nhỏ và kích thước của của Encoder không phụ thuộc vào khoảng cách đo, do đó kích thước của nó nhỏ gọn hơn so với loại thẳng. Encoder quay có thể dùng để đo cả hai thông số dịch chuyển và tốc độ. Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ(động cơ bước, động cơ xoay chiều hoặc động cơ một chiều) qua vít me, đai ốc bi tới bàn máy. Có thể xác định nhờ Encoder lắp trong cụm truyền dẫn. 2.2. Các loại Encoder: Encoder được chia làm hai loại 2.2.1. Encoder tuyệt đối Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau: nguồn sáng, đĩa mã hóa và các phodetetor. Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt. Mặt đĩa được chia thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là giải băng. Số giả băng trên đĩa tùy thuộc vào khả năng công nghệ. Công nghệ ngày nay cho phép chia đĩa mã hóa lớn nhất là dải. Trên các dải băng, các diện tích phân tố có phân tố để trong suốt(ánh sáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố được phủ một lớp mà ánh sáng không thể xuyên qua được. Sự trong suốt và không trong suốt đặc trưng tính của các phân tố Hình 2.2. Đĩa quang Nguyên lý hoạt động của Encoder tuyệt đối: Đĩa mã hóa được lắp trên trục, đối diện qua đĩa mã hóa phía bên trái ta bố trí nguồn sáng( đèn LED), phía bên kia của đĩa bố trí các photosensor, khuếch đại và các trigger Smiths. Tương ứng với mỗi dải băng ta lắp nguồn sáng. Nguồn sáng và các photosensor được lắp cố định. Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là diện tích phân tố trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa tới photosensor làm xuất hiện dòng chạy qua photosensor. bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không tới được photosensor và trong photosensor không có dòng điện chạy qua. Dòng ra của photosensor nhỏ, vì vậy ta đưa ra bộ khuếch đại, khuếch đại đủ lớn để đưa đến tầng tiếp theo. Do quá trình quay đĩa mã hóa, cường độ ánh sáng tăng từ nhỏ đến cực đại( tia sáng xuyên qua hoàn toàn) và tiếp theo giảm dần đến khi tia sáng bị chặn bởi dòng trong photosensor bằng không. Vì vậy để có xung ra là xung vuông ta cho tín hiệu qua mạch sửa dạng xung trigger Smiths. Gọi số góc trên đĩa là S và số dải là a, quan hệ giữa số góc và số giải biểu diễn theo công thức là S = 2a Trong đó a là số dương tuyệt đối 2.2.2. Encoder gia số: Encoder được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Encorder gia số có hai kiểu kiểu thẳng và kiểu quay. Encoder quay gồm có nguồn sáng( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn), thấu kính, đĩa thước cố định đĩa, đĩa phát xung, photosensor và mạch điện. Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt, trên có mộ hoặc hai dải băng( dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dầy giống nhau). Một trong hai dải băng trên đĩa làm nhiệm vụ phát xung, dải băng còn lại để xác định góc không quy chiếu. Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyển động quay cùng trục. Đĩa thước( thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh xẻ thứ năm bố trí trên hàng riêng và thước được có định trên vỏ cùng phía với photosensor Hình 2.3: Encoder gia số kiểu quay Tương ứng với năm rãnh cố định lắp năm photosensor, photosensor cũng được lắp cố định với Encoder. Thấu kính làm nhiệm vụ biến đổi đường đi của các tia sáng thành các tia sáng song song. Encoder gia số kiểu thẳng: Encoder gia số kiểu thẳng cũng có những thành phần cơ bản như Encoder gia số kiểu quay nhưng chỉ khác thước động là thước thẳng. Nguyên lý hoạt động của nó hoàn toàn giống Encoder gia số kiểu quay. Hình 2.4: Encoder kiểu thẳng. So sánh Encoder gia số và Encoder tuyệt đối: Encoder gia số có ưu điểm sau: Đơng giản và rẻ tiền Không cần mạch giải mã và không cần bộ đếm Giải đo chỉ giới hạn đặc tính của bộ đếm Tốc độ có thể chọn ở bất kì điểm nào Nhược điểm Không đo được vị trí tuyệt đối do sự thay đổi gia số Rất nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài Ngắt nguồn điện sẽ làm mất gốc ), muốn đo được phải xác định lại Encoder xung: Hình 2.5: Encoder xung Nguyên lý làm việc của Encoder xung Sử dụng Encoder xung làm cảm biến vị trí: Sơ đồ ứng dụng Encoder xung giao tiếp với điều khiển: Ưu điểm: Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thống điều khiển không cần có bộ chuyển đổi ADC Dễ sử dụng. Nhược điểm: Giá thành cao Phải có thêm mạch giải mã và đếm III: GIớI THIệU Về PLC Và ứNG DụNG PLC 2.1.Khái niệm chung: PCL viết tắt của Programble Logic Control, là thiết bị lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. Nó ddwocj thiết kế chuyên dụng trong công nghiệp để điều khiển các quá trình từ đơn giản đến phức tạp và tuỳ thuộc vào người sử dụng mà nó có thể thực hiện hàng loạt các chương trình. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi nó có thể thay thế đựơc cả một mảng rơle, hơn thế nữa PLC giống như một máy tính nên có thể lập trình được. Chương trình của PLC có thể thay đổi rất dễ dàng, các chương trình con cũng có thể sửa đổi nhanh chóng. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trước đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng xuất cao. Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng cao năng suất và chất lượng. 2.2.Những đặc điểm chung của PLC: PLC có những đặc điểm sau: Thiết bị chống nhiễu Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình bằng máy tính cá nhân Độ tin cậy cao,kích thước nhỏ gọn Bảo trì dễ dàng 2.3. Vai trò của PLC Từ những đặc điểm của PLC ta thấy vai trò của nó rất quan trọng trong ngành tự động hoá nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là một bộ não của hệ thống điều khiển với một chương trình ứng dụng đã được lưu ở bên trong bộ nhớ của PLC, PLC luôn kiểm tra trạng thái của hệ thống bao gồm: Kiểm tra tín hiệu phản hồi từ thiết bị nhập đựa vào chương trình logic để xử lý tín hiệu và mang thiết bị điều khiển ra các thiết bị xuất. PCL có đầy đủ các chức năng như: Bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi, bộ cộng, bộ trừ, bộ so sánh...và các tập lệnh cho phép thực hiện các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển từ đơn giản đến phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn câp nhật tín hiệu ngõ vào xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra. Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao...Ngoài ra PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động như: Công tắc trạng thái, cảm biến quang điện ... Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái Logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PCL qua các Modul nhập. Trong một hệ thống tự động hóa , thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng. Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị tê liệt hoàn toàn. Các thiết bị xuất thông thường là: Động cơ, cuộn dây nam châm , relay, còi báo...Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiên các thiết bị xuất khác như là: Đèn, còi và các báo động sự cố chỉ cho biết các mục đích như: Báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết bị ngõ ra đựoc giao tiếp với PLC qua miền rộng của Modul ngõ ra PLC. Ngày nay PLC được đưa vào hệ thống điều khiển một cách rộng rãi và trở nên thông dụng để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng . Các nhà sản xuất đưa ra thị trường hàng loạt các loại PLC khác nhau với nhiều mức độ thực hiện chương trình đủ để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Vì vậy để đánh giá một PLC người ta đưa vào hai tiêu chuẩn như sau: Dung lượng bộ nhớ Số tiếp điểm vào/ra của PLC Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: Bộ vi xử lý, chu kì xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra 2.4. Cấu trúc cơ bản: 2.4.1. CPU Chế tạo trên công nghệ vi xử lý, nó có các bộ như: Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiện xử lý dữ liệu thực hiện các phép tóan số học( cộng trừ) và các phép toán logic: AND, OR, NOT... Bộ nhớ(các thanh ghi). Bên trong bộ vi xử lý được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi chương trình. 2.4.2 Memory Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ: Bộ nhớ địa chỉ(ROM) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên(RAM) dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập xuất. Đặc điểm nội dung có thể đọc, ghi , xóa, khi mất điện thông tin sẽ bị mất. Bộ nhớ nửa cố định: + EFROM được dùng phổ biến do có thể xóa đựoc và lập trình lại nhiều lần. Việc xóa và lập trình lại cho EFROM phải được thực hiện trên các thiết bị riêng, mỗi lần lập trình lại phải xóa toàn bộ các ô nhớ của EFROM. + EEFROM là loại có thể xóa và ghi bằng tín hiệu điện với các mức điện áp thông thường, ngòai ra EEFROM còn có thể xóa từng ô nhớ xác định mà không cần nhấc ra khỏi mạch ứng dụng 2.4.3. Input Số lượng Xoay chiều, một chiều Số Tương tự 2.4.4. Out put Số lượng Tiếp điểm Số Tương tự 2.4.5.Ghép nối Console Máy tính Phần mềm 2.4.6.Bus: Bus địa chỉ Bus dữ liệu Bus hệ thống Bus điều khiển IV: Giới thiệu về động cơ một chiều 3.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều: 3.1.1. Phần tĩnh( phần cảm hay còn gọi là phần tạo ra từ trường): a. Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt, cực từ và dây cuốn kích từ ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ đựơc làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày từ 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt , cũng có thể dùng thép khối. Cực từ được dán chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông. Dây cuốn kích từ đựơc cuốn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đựơc bọc thành một khối và tẩm sơn cách điện trứoc khi đặt lên các cực từ. Cuộn kích từ đặt lên các cực từ đựơc nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ: Đựơc đặt xem kẽ với cực từ chính, xung quanh các cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ. Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ thông phấn ứng( từ trừong do dòng roto sinh ra). Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện của tia lửa điện trên chổi than và cổ góp. Vỏ máy( gông từ): Gông từ dùng để làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện một chiều nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày, uốn và hàn lại , với động cơ lớn thường dùng thép đúc. 3.1.2. Phần quay: a. Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện( thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây cuốn vào. b. Dây cuốn phần ứng: Dây cuốn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây cuốn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong động cơ nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, còn với động cơ vừa và lớn thường dùng dây có tiết diện chữ nhật. Dây cuốn được cách điện cẩn thận với lõi thép. Cổ góp: Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều của dòng điện xoay chiều thành một chiều. 3.2. Phân loại động cơ điện một chiều Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia ra: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 3.1) Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. - + U1 IKT KT + - U2 E Iư Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ song song (hình 3.2) - + IKT E Iư Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (hình 3.3) E + - KTĐ2 Iư Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Đặc điểm của động cơ kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (hình 3.4) E + - KTĐ2 Iư IKT KTĐ1 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. Đặc điểm từ thông của máy là tổng hợp các từ thông của các cuộn kích từ song song và kích từ nối tiếp, do vậy nó tận dụng được những đặc tính cơ bản của hai loại trên tùy theo cách đấu dây để sử dụng cuộn dây kích từ nào đóng vai trò chủ yếu. 3.3. Nguyên lý làm việc của dộng cơ điện một chiều Khi đóng động cơ roto quay đến tốc độ n, đặt điện áp U kích từ nào đó lên dây quấn lên lên dây kích từ thì trong dây quấn kích từ có dòng ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông , tiếp điểm đó ở trong mạch phần ứng thì trong dây cuốn phần ứng sẽ có một dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa từ thông và dòng điện phần ứng sinh ra mô men làm quay động cơ. 3.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư = Eư + RIư (1) Trong đó: Uư: điện áp phần cứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở của mạch phần ứng () Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) với Iư = rư + fcf + fb + rct rư: điện trở cuộn dây phần ứng () fcf: điện trở cuộn dây phần phụ () fb: điện trở cuộn dây phần ứng () rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện () sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo công thức Eư = = = Trong đó: p - số đôi cực từ chính N - số đôi mạch dẫn nhanh song song của cuộn dây phần ứng - từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) - tốc độ góc (rad/s) k = - hệ số cấu tạo động cơ Từ phương trình (1), ta có: Eư = Uư - (Rư + Rf)Iư Chia cả hai vế cho ta được: hay (2) : đặc tính động cơ điện Mặt khác mô men điện từ của cơ điện được xác định bởi: suy ra Thế vào (2) ta được , đặc tính cơ theo mô men. Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men trục điện cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M, nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ð (3) Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông = const thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính đồ thị của chúng được thể hiện như sau: 0 Iđm Inm ωđm ω0 ω I 0 Mđm Mnm ωđm ω0 ω M Hình 2,10.a Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều Hình 2.10.b Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Theo các đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. khi = 0 ta có: Imn, Mnm, được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. Nhận xét: Nếu cho U, Rư + Rf, là hằng số thì phương trình (3) sẽ là phương trình bậc nhất: : gọi là độ sụt tốc độ ∆ω ω ω0 0 M Hình 2.11. Độ sụt tốc độ 3.5. ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: từ thông động cơ điện áp phần cứng Uư và điện trở phần cứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từ tham số. 3.5.1. ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm và = = const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ω ω0 0 M Mc Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 Hình 2.12. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tăng điện trở trong mạch phần ứng. Tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng của đặc tính cơ: Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. + Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: ta có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở. + Rf khác không càng lớn thì càng nhỏ dần tới đặc tính cơ càng dốc Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đặc tính cơ như hình 3.6, ứng với một tải phụ Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. Đặc điểm: + Tốc độ n bằng phẳng + Phạm vi điều chỉnh tốc độ + Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm + Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện trong mạch phần ứng có dòng điện lớn, tổn hao vô ích nhiều, hệ số động cơ giảm. 3.5.2. ảnh hưởng của điện áp phần ứng Giả thiết từ thông = = const, điện áp phần ứng Rư = const trong thực tế thường giảm điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có: Độ cứng đặc tính cơ: Ta thấy tốc độ thay đổi theo sự thay đổi của điện áp phần ứng khi điện áp phần ứng giảm xuống thì tốc độ cũng giảm xuống. Độ cứng đặc tính cơ: Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 3.7. Nhận thấy rằng khi thay đổi điện áp, thực chất là giảm áp thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Vì vậy phương pháp này cũng được sử dụng để điều chình tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Đặc điểm: Tốc độ điều chỉnh bằng phẳng. Phạm vi điều chỉnh rộng. Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm Để thực hiện phương pháp này ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi được (bộ biến đổi điện áp bằng điện tử công suất). ω04 ω03 ω02 ω01 ω 0 U3 U2 U1 Uđm(TN) M(I) Hình 2.13. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng 3.5.3. ảnh hưởng của từ thông Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const, điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Trong trường hợp này: - Tốc độ không tải: Độ cứng của đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì tăng, còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Mnm Φ2 Φ1 Φđm ω0 ω01 ω02 ω Φ2 Φ1 Φđm ,TN ,TN Inm I a) ω0 ω01 ω02 ω Mnm1 Mnm2 MC b) 0 0 M Hình 2.14. Đặc tính cơ (a) và đặc tính điện (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch: Mômen ngắn mạch: Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn hình (3.8a). Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (hình 3.8b). Đặc điểm: Tốc độ bằng phẳng. Phạm vi rộng Vùng điều chỉnh nđm < nđc Với điều chỉnh tốc độ tổn hao ít, thực hiện trong máy kích từ thì dòng điện nhỏ, hiệu suất cao. 3.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạnh lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đặt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho cuộn kích động cơ Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bộ biến đổi chính: Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo mày phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM) Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu TIRISTOR (CLT) Bộ biến đổi xung áp một chiều: TIRISTOR hoặc TRANZITOR (BBĐX) Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:- Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ) Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ) Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (T - Đ) Hệ truyền động chỉnh lưu TIRISTOR - động cơ (KĐT - Đ) Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA - Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”). Hệ điều chỉnh tự động truyền động cơ điện có cấu trúc phức tạp. Nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và giải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Phần ii Chương i: Thiết kế tính toán và lựa chọn các phần tử cho mô hình Dựa vào các yêu cầu công nghệ và dưới sự hướng dẫn của thầy Lưu Đức Dũng và các cán bộ tại trung tâm thực hành chúng em đã chọn ra phương án chế tạo mô hình cửa tự động. Trong truyền động sẽ dùng động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Để điều chỉnh tốc độ động cơ dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Dùng Encoder để đo hành trình của cửa. Dùng PLC để điều khiển hoạt động của cửa. Dùng cảm biến hồng ngoại Từ những tiêu chí trên chúng em đã tính tóan và lựa chọn thông số của các phần tử chính dùng để chế tạo mô hình như sau: Các phần tử cơ : Khung: Hình 1.1. Khung mô hình của tự động Khung cửa sẽ được chế tạo hòan tòan bằng sắt hộp vuông kích thước cạnh là 1cm và chiều dày của sắt là 1mm Với kích thước của khung như vậy chúng em đã lựa chọn phần tử chuyển động của cửa là dùng con lăn sắt chạy trên đường ray bằng gỗ nhằm đảm bảo cho cánh cửa chuyển động êm và chắc chắn. Con lăn: Con lăn bằng sắt được dùng là loại có sẵn tại xưởng chế tạo và lắp ráp nơi chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Hình dạng và kích thứơc của con lăn như sau: Hình 1.2. Con lăn Đường ray: Đường ray được chế tạo bằng gỗ có hình dáng và kích thước như sau: Hình 1.3. Đường ray Chiều dài của cả đừong ray là 1200mm Pu li: Pu li được làm bằng nhựa và với hình dạng và kích thước: Hình 1.4. Pu li a) Pu li gắn phía bên trục động cơ b) Pu li gắn bên còn lại Dây curoa: Chọn loại dây curoa tròn bằng cao su có đường kính 6mm Cánh cửa: Hai cánh cửa đựơc làm bằng kính với với các thông số: Chiều cao: 52cm Chiều rộng: 5cm Độ dày: 0.cm Các phần tử điện: 2.1. Động cơ: Trong mô hình này động cơ truyền động chỉ cần loại động cơ công suất nhỏ từ 20W đến 40W. Với yêu cầu như vậy chúng em đã tìm mua trên thị trường động cơ dùng trong đồ án này với thông số: Điện áp làm việc : 24 V Công suất : 30W Hình 2.1. Động cơ sử dụng trong mô hình 2.2. Encoder: Encoder là loại Encoder gia số xung với điện áp làm việc là 5V Hình 2.2. Encoder sử dụng trong mô hình 2.3. Cảm biến: Lựa chọn cảm biến hồng ngoại. 2.3.1 Diode phát hồng ngoại Hình 2.3. Cấu tạo và kích thứơc của Diode phát hồng ngoại - Diode phát hồng ngoại được sử dụng là loại Diode có 940nm. Góc phát giới hạn trung bình là . - Công suất tiêu tán là 200mW. Điện áp làm việc là 5V, dòng làm việc cho phép là 100mA. Công suất phát tiêu hao trên nhiệt độ là 2.67mW/ ở 25 . 2.3.2. Sensor thu hồng ngoại Sensor thu sử dụng là loại sensor PNA4602M hoạt động ở tần số sóng mang 38Khz. Hình dạng của sensor như hình vẽ. Hình 2.4. Cấu tạo và kích thước của sensor thu hồng ngoại Nguyên lý hoạt động của sensor: Khi không có hồng ngoại điện áp ra Vo =Vcc = +5V Khi có hồng ngoại điện áp ra Vo=Vcc-0.7V 2.4. PLC: PLC sử dụng trong mô hình là loại S7 – 200 CPU 222. Hình 2.5. PLC S7- 200 CPU 222 Cấu trúc của PLC này bao gồm một CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Đặc điểm và thông số của PLC Kích thước(mm) 90x80x62 Bộ nhớ chương trình 2048words Bộ nhớ dữ liệu 1024words Cổng logic vào 8 Cổng logic ra 6 Module mở rộng 2 Digital I/O cực đại 128/128 Analog I/O cực đại 16In/16Out Bộ đếm(Counter) 256 Bộ định thời(Timer) 256 Tốc độ thực thi lệnh 0.37micro giây Khả năng lưu trữ khi mất điện 50 giờ 2.5. Máy biến áp: Máy biến áp cần cung cấp đủ các nguồn như sau: Động cơ: cần 3 mức điện áp 4V,6V và 9V một chiều và có lọc-> nguồn từ biến áp là 3.5V, 5.0V và 7.5V PLC cần 12V và 24V một chiều có lọc -> Nguồn từ biến áp 9.5V và 19V Bóng đèn loại 24 V -> cấp 20 V Encoder 5V một chiều có lọc và ổn áp -> Nguồn từ biến áp 5.5V Vi xử lý 5V một chiều có lọc và ổn áp-> Nguồn từ biến áp 5.5V 220V 3.5 V 5.0 V 7.5 V 24 V 9.5 V 20 V 5.5 V 5.5 V Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp Tính chọn máy biến áp: Chọn lõi biến áp hình chữ E: Hình 2.7. Lõi biến áp a = 4cm, b = 5.5cm, l= 2.3cm, h= 5.8cm Hệ số quấn dây s= a.b = 4 x 5.5 = N0 = = 2,27 -> lấy = 2.3(vòng/vol) 14. Số vòng dây Cuộn sơ cấp W1 = N0.U1max = 2.3 x 220 = 5.06(vòng) Cuộn thứ cấp W2 = N0.U2max (vòng) 3.5V -> 8 vòng 5V -> 11 vòng 5.5V -> 13 vòng 7.5V -> 17 vòng 9.5 V -> 22 vòng 20V -> 46 vòng Chương II: chế tạo và lắp ráp 2.1 Khung: Theo đúng thiết kế như phần trên khung cửa được gia công Hình: 2.8. Khung cửa sau khi gia công và ốp gỗ. Sau khi khung cửa được chế tạo thì ốp gỗ phần mặt dưới và xung quanh phần đế như hình trên. 2.2. Pu li Hình 2.9. Pu li sau khi đựơc chế tạo và gá lắp lên khung cửa 2.3.Cánh cửa: 2.4. Máy biến áp: - Khung quấn dây lõi biến áp. Khung lõi biến áp đựơc làm bằng phíp thủy tinh và cắt theo hình sau: Hình 2.10. Miếng ghép tạo khuôn lõi biến áp Quấn dây: Cố định khuôn vừa được chế tạo vào tay quấn dây sau đó dùng vam cố định tay quấn dây vào bàn để tiện cho việc quấn đây. Trứớc khi quấn dây sử dụng giấy cách điện bọc một lớp xung quanh khuôn nhằm đảm bảo độ an tòan về cách điện. Bọc ống ghen cho mỗi đầu dây ra một đoạn 20cm và quấn đủ số vòng dây như tính toán. Hết mỗi lớp dây ta lại bọc cách điện để cách li các lớp dây với nhau tránh trừong hợp vì một lý do nào đó đây có thể bị mất lớp cách điện gây chạm, chập cháy máy biến áp. Các dầu dây đưa ra đựơc dùng dây gai cố định để đảm bảo độ chắc chắn tránh việc các cuộn dây bị lỏng làm các cuộn dây không chắc chắn. Lắp ráp: Tháo lõi sắt ra sau đó lắp lần lượt 5 lá thép một vào với nhau. Khi đã xong thì cố định lại bằng vít và nẹp sắt. Khi vặn vít chú ý siết chặt và đều đảm bảo lõi được ép chặt tạo sự chắc chắn để biến áp không bị kêu khi hoạt động. Đấu đầu ra: Sử dụng cầu đấu bắt cố định vào miếng mi ca giầy và đấu các đầu dây ra từ đó đưa đến chỉnh lưu , lọc, ổn áp và cấp nguồn cho những thiết bị hoạt động. Hình 2.11. Máy biến áp sau khi hoàn thành.