Đồ án Tìm hiểu về cửa đóng mở tự động

CHƯƠNG I GIớI THIệU CHUNG Về CửA Đóng mở tự động Trong xã hội văn minh hiện đại, cửa là một bộ phận không thể thiếu được trong từng công trình kiến trúc. Nhưng hầu hết những loại cửa bình thường mà chúng ta hay dùng hiện nay lại có những nhược điểm gây phiền toái cho người sử dụng đó là: cửa thường chỉ đóng mở dược khi có tác động của con người vào nó. Việc thiết kế ra một loại cửa tiện ích hơn, đa năng hơn, phục vụ tốt hơn cho đời sống con người là tất yếu và vô cùng cần thiết. Do vậy, cần thiết kế ra một loại cửa tự động khắc phục tốt những nhược điểm của cửa thường. Xuất phát từ yêu cầu đó, cửa tự động được thiết kế là để tạo ra được loại của vùa duy trì những yêu cầu trước đây, vừa khắc phục những nhược điểm của cửa thông thường . Vì khi sử dụng cửa tự động người dùng hoàn toàn không phải tác dụng trực tiếp lên cánh cửa mà cửa vẫn tự đọng mở theo ý muốn của mình . Với tính năng này, cửa tự động mang lại những thuận lợi lớn cho người sử dụng như : Nếu người dùng cửa đang bê vác vật gì đó thì cửa tự động không những chỉ tạo cảm giác thoải mái mà thực sự đã giúp người dùng, tạo thuận lợi cho người hoàn thành công việc mà không bị cản trở. Sử dụng cửa tự động sẽ giúp người dùng nó đỡ tốn thời gian để đóng mở cửa .Cửa tự động rõ ràng sẽ đem lại cảm giác thoải mái cho người dùng, loại bỏ hoàn toàn cảm giác ngại, khó chịu như khi dùng cửa thường. Đặc biệt, ở những nơi công cộng, công sở, cửa tự động ngày càng phát huy ưu điểm. Đó là vì cửa tự động sẽ giúp cho lưu thông qua cửa nhanh chóng dễ dàng, cũng như sẽ giảm đi những va chạm khi nhiều người cùng sử dụng chung một cánh cửa. Thêm vào đó, hiện nay hệ thống máy lạnh dược sử dụng khá rộng rãi ở những nơi công sở, công cộng. Nếu ta dùng loại cửa bình thường thì phải đảm bảo cửa luôn đóng khi không co người qua lại để tránh thất thoát hơi lạnh ra ngoài gây lãng phí. Thế nhưng điều này trong thực tế lại rất khó thực hiện vì ý thức của mỗi người ở nơi công cộng là rất khác nhau. Do đó, cửa tự động, với tính chất là luôn đóng khi không có người qua lại đã đáp ứng được tốt yêu cầu này. Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta càng phải phát triển ứng dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến và nâng cao chất lượng hoạt đ động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại hơn, tiện ích hơn. Để nghiên cứu một cách chính xác và cụ thể về cửa tự động, cần thiết phải chế tạo ra mô hình cửa đóng mở tự động, mô tả hoạt đọng, hình dáng, cấu tạo của cửa tự động. Từ mô hình này t có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động của cửa tự động, cũng như có thể lường trước những khói khăn có thể gặp phải khi chế tạo cửa tự động trên thực tế. Cũng từ mô hình có thể thấy được ưu nhược điểm của thiết kế mà từ đó khắc phục những hạn chế, phát huy thế mạnh thiết kế cánh cửa ưu việt hơn, hoàn thiện hơn cho con người. 1.1.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. 1.1.1.Cửa kéo : Hình 1.1. Của kéo Loại cửa này còn khá lạ ở nước ta, 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, cánh cửa chắc. 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. 1.1.2. Của cuốn Hình 1.2. Của cuốn Loại cửa này với cánh cửa có khả năng cuộn tròn lại được . Khi có tín hiệu điều khiển đóng mở cửa , động cơ của cửa sẽ tác động qua một trục cuốn cửa cuộn tròn quanh trục đó . Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng , chỉ cần một đọng cơ công suất nhỏ . Thường được dùng làm cửa cho gala ôtô . Nó có tính kinh tế cao vì dễ chế tạo .Nhưng cũng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hang hơn các loai của khác . 1.1.3.Cửa trượt : Hình 1.3. Của trượt Loại của này có đặc điểm là có một rãnh cố định cho phép cánh cửa có thể trượt qua lại . Cửa trượt có nhiều loại , tuỳ thuộc vào hình dạng rãnh trượt như rãnh thẳng thì là loại cửa chuyển động tịnh tiến , rãnh tròn thì là loại cửa chuyển động xoay tròn . Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng , khách sạn , sân bay , nhà ga … Cửa này co ưu điểm là kết cấu nhẹ nhàng tạo cảm giác thoáng đạt , thoải mái và lịch sự . Loại cửa này thiết kế khá dễ dàng , có thể nhận biết được người , may móc có thể đi qua . Loại cửa này ở nước ta được sử dụng khá phổ biến . 1.2. Khảo sát các loại cửa đóng mở tự động ở hà nội hiện nay 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. Vì 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 đáp ứng được những yêu cầu trên . 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: sử dụng ở những nơi yêu cầu tính hiện đại, sang trọng nhưng lại có số lượng người đi qua lại không nhiều .Hay những loại cổng có kích thước lớn dùng ở các công ty, xí nghiệp hay những ngôi nhà lớn … + Cửa tự động có hai cánh: Loại cửa này được dùng rộng rãi hơn so với loại cửa tự động 1 cánh. Theo phần mạch điều khiển, hiện nay thì hầu hết những loại cửa tự động mới đều dùng loại mạch phi tiếp điểm như tại toà nhà 14 Láng Hạ,khách sạn Horison….Ngoài ra tại sân bay Nội Bài do nhu cầu giao dịch và vận chuyển hiện đại nên hệ thống cửa tự dộng ở đây dùng phần mềm lôgô để điều khiển.Để tìm hiểu sâu hơn trong công nghệ này ta sẽ phân tích hệ thống cửa tự động ở sân bay Nội Bài. Khảo sát cửa tự động ở sân bay Nội Bài - Hà Nội Hình 1.4. Của tự động ở 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. Đây là loại cửa trượt rất phổ biến Cửa tự động tại đây sử dụng hệ thống cửa hai cánh trọng lượng mỗi cánh khoảng 80 kg. Động cơ dùng trong cửa tự động tại đây là động cơ một chiều điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp.Hệ thống cửa tại đây không dùng hệ thống con lăn phụ mà thay vào đó là sử dụng hai gờ sắt cố định xuống sàn. 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 hai 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 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. Phương thức hoạt động của loại cửa này là dùng mạch điều khiển không tiếp điểm dùng các phần tử lôgic thì có ưư điểm là rẻ,việc hỏng hóc có thể sửa chửa dễ dàng, nhưng nó có một nhược diểm rất lớn là làm việc không lâu bền bằng phương pháp dùng bộ điều khiển lôgô, PLC...Còn cửa dùng phần mềm diều khiển bằng lôgô lại có ưu đIểm là là việc rất ổn định nhẹ êm,trơn nhưng có nhược đIểm là giá cả đắt,nếu hỏng hóc rất khó sửa chữa.Do đó hiện nay tuỳ theo nhu cầu sử dụng và vốn đầu tư khác nhau, mà việc ứng dụng loại cửa nào cho phù hợp. Ngoài ra qua việc quan sát vừa qua em thấy việc lắp đặt cửa tự động thường được sắp xếp ở những nơi mà tầm nhìn có độ rộng lớn,không gian rộng và thường có các loại cửa khác đi kèm như cửa đẩy hay cửa cuốn để tạo thêm mỹ quan.Các cảm biến dùng trong các loại cửa tự động có ở Hà Nội hiện nay đều là cảm biến hồng ngoại. Chương ii Các yêu cầu và mục đích chế tạo mô hình Cửa đóng mở tự động 2.1. Các yêu cầu của mô hình + Kích thước gọn gàng + Hệ thống cơ hoạt động tốt + Hệ thống điện tốt, hoạt động đúng theo thiết kế + Hệ thống cửa đáp ứng mọi yêu cầu đặt ra. 2.1.1. Yêu cầu về chương trình chung - Cửa phải tự động mở khi có xe muốn vào, và phải tự động đóng khi xe đã vào hết - Cửa thiết kế để có thể đóng mở một cách thông minh, khi có tín hiệu người thì cửa mở ra thì mở với vận tốc v1 nhanh nhất để người hoặc xe lập tức có thể ra vào . Khi cửa mở gần hết hành trình thì tự động giảm tốc độ xuống vận tốc v3 nhỏ nhật để cửa dừng lại chính xác ở cuối hành trình mở . Khi hết tín hiệu ngưới , sau một khoảng thời gian trễ 5giây , cửa sẽ đóng lại nhanh với vận tốc v2 . Khi gần hết hành trình đóng , thì cửa giảm tốc độ đóng xuống v3 để tránh va chạm giữa hai cánh cửa. - Khi cửa đang đóng lại , nếu lại có tín hiệu người thì cửa lại lập tức mở ra . - Dùng kỹ thuật PLC để chương trình hoạt động cho cửa. 2.1.2. Yêu cầu về cơ khí. Yêu cầu của mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt động , phải chắc chắn và gọn gàng . Do đó, việc thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình cũng phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: Khung cửa , cánh cửa, rãnh trượt , xích , bánh răng , trục quay... Ngoài ra, còn có các kết cấu phụ để tạo ra mô hình cửa tự động thật hoàn chỉnh như cửa thật. Động cơ ở đây là loại động cơ 1 chiều được cấp nguồn bởi bộ chỉnh lưu cầu 1 chiều,kết hợp với bộ đảo chiều cho phép động cơ có thể quay thuận hoặc quay ngược. 2.2. Mục đích của việc chế tạo mô hình - Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình cửa tự động này sinh viên cũng phải tham khảo thực tế nhiều lĩnh vực và tham khảo bằng nhiều tài liệu khác nhau. Điều đó mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn cho sinh viên không chỉ trong một lĩnh vực tự đông hoá mà còn nhiều lĩnh vực,ngành nghề khác như điện,điện tử, cơ khí... - Việc chế tạo ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điêu kiện cho sinh viên có cơ hội học tập và nghiên cứu môn học một cách thực tế, là một cơ hội rất tốt giúp sinh viên khỏi bỡ ngỡ khi làm việc thực tế. - Tạo ra một mô hình cửa đóng mở tự động có thể hoạt động tốt, từ đó có thể chế tạo được cửa tự động phục vụ thực tế . Chương iii Chế tạo kết cấu cơ khí Công việc chế tạo kết cấu cơ khí cho cửa đóng mở tự động là vô cùng quan trọng đòi hỏi độ chính xác cao mới đảm bảo tốt cho sự hoạt động của cửa . 3.1. Khung mô hình cửa tự động Hình 3.1. Khung mô hình Khung của mô hình được hàn từ những thanh thép hộp 15mm x 15mm . Khi hàn song , khung được sơn tĩnh điện . 3.2. Cơ cấu truyền động của cửa tự động Hình 3.2. Cơ cấu truyền động 1: Cánh cửa 2: Thanh ray 3: Con lăn 4: Pu li 5: Dây curoa 6: Rãnh trượt dưới 3.3. Cánh cửa Hình 3.4. Cánh cửa Cửa được làm bằng kính dày 5mm phía trên được gá vào thanh nhôm hình chữ H để bắt với cơ cấu chuyển động. 3.4. Thanh ray Hình 3.5. Thanh ray Thanh ray được làm bằng gỗ khô. Tránh cong vênh và giảm tiếng ồn khi cửa hoạt động 3.5.Con lăn Hình 3.6. Con lăn Con lăn bằng sắt có kích thước như hình vẽ 3.6. Puli Hình 3.7. Puli Puli được làm bằng nhựa. 3.7. Rãnh trượt dưới Hình 3.8. Rãnh trượt dưới Rãnh trượt dưới được làm từ thanh nhôm hình chữ U. Chương iv Thiết kế phần cơ của mô hình cửa đóng mở tự động 4.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều 4.1.1. Vai trò của động cơ điện một chiều - Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. - Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải ...mà điều quan trọng là các ngành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều. - Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện)... nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất. - Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn ... 4.1.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều a) Phần tĩnh hay stato Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau: - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. - Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. - Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. - Các bộ phận khác. + Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. + Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại. b) Phần quay hay rôto Bao gồm những bộ phận chính sau: - Lõi sắt phần ứng: + Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. +Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. +Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. +Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. - Dây quấn phần ứng. + Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. + Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. - Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. - Các bộ phận khác. + Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. +Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. 4.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Rf E Rkt Ckt Uu + _ - 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 phản ứng, lúc này động cơ gọi là động cơ kích từ song song. Hình 4.1. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song - Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện 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 E UT1 UT1 p3 p2 p1 b c. t t t t I2 I1 Id Ud t3 t2 Rf U Ikt Rkt U CKT Ukt Hình 4.2. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ nối tiếp 4.1.3.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập - Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng: Uư = Eư +(Rư +Rf)Iư Uư : Điện áp phần ứng Eư : Suất điện động phần ứng Rư ,Rf : Điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch phần ứng E I Rf U Ikt Rkt U CKT Ukt Iư : Dòng điện mạch phần ứng Rư =rư +rct +rb +rtc rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rct : Điện trỏ cực từ phụ rb : Điện trở cuộn bù rtx : Điện trở tiếp xúc chổi điện Eư = : Tốc độ góc (Rad/s) Eư = Ke . Eư Ke: Hệ số sức điện động của động cơ (4.1) - Biểu thức (4.1) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. - Mặt khác mômen điện từ Mđt =K..Iư Suy ra Iư = - Thay giá trị Iư vào biểu thức (1) được: - Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, kí hiệu là M: Mđt =Mcơ =M (4.2) - Biểu thức (4.2) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng Từ phương trình (4.2) suy ra: để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư, từ thông tức là thay đổi dòng kích từ Ikt và thay đổi điện trở phần ứng Rư ,Rf - M =K..Iư .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể dùng phương pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ Ikt ) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng Iư - Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông =const, từ các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của chúng là những đường thẳng được biểu diễn trên hình vẽ: Hình 4.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4.1.3.2. ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ - Từ phương trình: - Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ, điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ. Lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số a) ảnh hưởng của điện trở phần ứng. - Giả thiết Uư = Udm = const và - Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lí tưởng: - Độ cứng đặc tính cơ - Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với Rf = 0 có đặc tính cơ tự nhiên TN(Rn) Rf1 Rf2 Rf3 M Mc Rn<Rf1<Rf2<Rf3 Hình 4.4. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng có giá trị lớn nhất lên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ - Như vậy khi thay đổi điên trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ 4.5, ứng với một phụ tải Mc nào đó ,nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm , đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta sử dụng phương pháp này để han chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. b) ảnh hưởng của điên áp phần ứng. - Giả thiết từ thông , điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm có: + Tốc độ không tải: Mc U1 U2 U3 U4 Udm M(I) + Độ cưng đặc tính cơ: Hình 4.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm điên áp đặt vào phần ứng độ - Ta thấy rằng khi thay đổi điên áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khởi động. c) ảnh hưởng của từ thông. - Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm= const. Điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi dòng điện kich từ Ikt động cơ. Trong trương hợp này: + Tốc độ không tải: Mnm2 Mnm1 Mnm M + Độ cứng đặc tính cơ: Hình 4.6. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiềukích từ độc lập khi giảm từ thông. - Do câú tạo của động cơ điện, và thực tế thường giảm tư thông. Nên khi từ thông giảm thì tăng còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông. - Khi thay đổi từ thông thì dòng điện ngắn mạch - Mô men ngắn mạch - Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn như trên hình 4.7 - Với dạng momen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên. 4.1.3.3. Vấn đề đảo chiều - Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phương pháp. Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng Iư hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ Ikt). - Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ. Khi máy đang quay thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích Ikt thì xuất hiện suất điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích . - Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phương pháp đảo chiều dòng phần ứng Iư . - Từ những phân tích trên ta chon phương pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phần ứng Uư (tức là điều khiển Uư) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng Iư . 4.1.3.4. Một số yêu cầu kĩ thuật khác a) Độ trơn - Trong đó: + là tốc độ ổn định của động cơ đạt được ở cấp i, i+1 + tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dải điều chỉnh b) Dải điều chỉnh tốc độ + Là phạm vi điều chỉnh – là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Trong đó: + bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành + bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, khả năng quá tải và sai số tốc độ làm việc cho phép. c) Chống mất kích từ + Khi mở máy phải đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn mạch kích thích +Vì khi đó Eư = 0 nên Iư = +Do U không đổi và Rư rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên Iư rất lớn làm cháy dây quấn và vành g + Cách khắc phục điều này là phải có bộ phận nhận biết được mất kích từ ( và do đó Iư =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức Uư = 0. Khi đó Iư không lớn và tránh được sự cố trên. 4.1.4.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 4.1.4.1. Nguyên lí điều chỉnh điện áp phần ứng - Để điều chỉnh điên áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển .....Các thiết bị nguồn này có các chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không, ở chế độ xác lập phương trình đac tính cua hệ thống: U Eb(udk) Eu Rud I Rb BBD Udk LK Hình 4.7. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập - Khi mômen là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là - Để thoả mãn khả năng quá tải thì đăc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: - Trong đó Km là hệ số quá tải về mômen . Vì họ dăc tính cơ là các đường song song nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết: Hình 4.8. Xác định phạm vi điều chỉnh - Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị , Mđm , Km là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng. Do đó có thể tính sơ bộ được: - Sai số tương đối của tôc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: - Vì các giá trị , , nên có thể tính được giá trị tối thiểu của đặc tính cơ sao cho sai số cho phép không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động kiểu vòng kín. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ không đổi: 4.1.4.2. Nguyên lí điều chỉnh từ thông động cơ - Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ và sứ điện động quay của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: Trong đó rk : điện trở dây quấn kích thích rb : điện trở của nguồn điện áp kích thích : số vòng dây của dây quấn kích thích - Trong chế độ xác lập có quan hệ sau: ; - Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi vì vậy, để đảm bảo điêu kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rât nhanh khi giảm từ thông kích thích: hay - Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các đông cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh la tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện: E Udk Lk rbk ik + _ I rk Hình 4.9. Sơ đồ thay thế Hình 4.10. Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ 4.1.5. Vài nét về động cơ một chiều kích tư bằng nam châm vĩnh cửu Trong máy điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu , từ trường được tạo thành nhờ nam châm vĩnh cửu . So với máy kiểu kích thích điện từ , các máy này chỉ khác ở thiết bị của hệ thống từ . Hình 4.11.Hệ thống từ của máy điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Hình 4.11, vẽ các kiểu hệ thống từ có thể có của loại máy này . Kiểu a và b có cách bố trí nam châm hình tia thông dụng cho các máy nhiều cực khi 2p = 4 . Vì chiều dài của nam châm ngắn , tác dụng khử từ của sức từ động phần ứng dọc theo đường sức từ ở kết cấu này rất rõ rệt . Để giảm hiện tượng đó cần chế tạo nam châm có lực kháng từ mạnh ( nam châm Ferittberi ) và làm các mặt cực của nam châm bằng vật liệu từ mềm . Kiểu kết cấu c đặc biệt thích hợp khi 2p = 2 , khi đó các nam châm đặt theo hướng tiếp tuyến có chiều dài theo phương từ hóa lớn . ở trường hợp này có thể dùng các loai vật liệu từ có lực kháng từ tương đối nhỏ nhưng có năng lượng riêng lớn . Cũng ngay chính loại này co thể kàm theo hình d . ở đây hệ thống từ là một vành xác định đã được từ hóa làm bằng vật liệu từ cưngd .Ưu điểm cử loại này là kết cấu đơn giản nhưng nhựơc điểm là khả năng đổi chiều kém đi vì khe hở trục ngang nhỏ và từ trường phần ứng lớn . Để chế tạo các nam châm vĩnh cửu công suet từ vài đến vài trăm oat được ding trong truỳen đọng công suet nhỏ , trong ôtô , máy bay và các hệ tự động khác . Các động cơ thường ding ở chế độ ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại , cho phép mở máy và đổi chiều quay không có biến trơ ở mạch phần ứng . Tốc đọ quay của đọng cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng cũng như sử dụng áp xung để điều chỉnh sau tốc độ quay . Phương phá điều chỉnh sau thực hiện được nhờ rơle khống chế bởi máy phat tốc để ngắn mạch một cách chu kì điện trở phụ trong mạch phần ứng . ở các động cơ có công suet lớn hơn người ta sử dụng kích thích có bù . Trong trường hợp đó động cơ được trang bi dây quấn kich thích mà sức từ động của nó đủ để điều chỉnh từ trường trong phạm vi cho trước . Khi tính tóan và thiết kế động cơ điện một chiều có nam cham vĩnh cửu cần xét dến đặc thù của ảnh hưởng của sức từ động phần ứng là tác dụng khử từ là chủ yếu hơn đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu . Do không có dây quấn kích thích và tổn hao trong các dây quấn đó , so với máy có kích thich điện từ , máy điện mộtchiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu co hiệu suet cao hơn , điều khiển , làm mát dễ dàng hơn , kích thích lăp đật , trọng lượng và giá thành ( với loai co công suất không lớn ) nhỏ hơn , kích thích ổn định hơn vì từ trường của nam châm vĩnh cửu không phục thuộc tốc độ quay , điện áp phần ứng cũng như nhiệt độ . Tuy nhiên , máy động cơ điên một triều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu cũng có một số nhược điểm như : tốc độ quay và điện áp phần ứng không điều chỉnh được bằng cách thay đổi từ trường ,kích thich được , công suất vượt quá vai trục oat thì chúng không thể sánh với các may có kích thích điện từ về mặt kích thước lắp đặt, trọng lượng và giá thành , công nghệ từ hóa và chế tạo nam châm phức tạp hơn. Các ưu điểm khi sử dụng động cơ điện một chiều: Về phương diện điều chỉnh tốc độ , động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so vơI các động cơ khác . Không những nó co khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng . Trong mô hình ta sử dụng động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có công suất 30ww và sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ . Chương v Giới thiệu một số thiết bị điện dùng trong Mô hình của đóng mở tự động 5.1. Rơle Rơle loại khí cụ điện tự động mà đặc tính “vào ra” có tính chất sau: Tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp (đột ngột) khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực tự động điều khiển, truyền động điện, bảo vệ mạng lưới điện, thông tin liên lạc Rơle được coi là phần tử cơ bản để tạo nên các thiết bị hoạt động trên cơ sở kỹ thuật số như: Máy tính, PLC, tự động điều khiển thông minh, các quá trình sản xuất, điều khiển điện trong gia đình . Đại lượng cần để cho Rơle hoạt động được gọi là đại lượng tác dụng. Các đại lượng tác dụng được đặt vào các đầu vào khác nhau của Rơle, chúng có thể là một hoặc hai đại lượng khác nhau. Rơle có đại lượng tác dụng là đại lượng điện (dòng điện, điện áp, công suất ), được gọi là Rơle điện. Rơle trung gian được dùng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện, trong các hệ thống điều khiển tự động. Do có số lượng tiếp điểm lớn 4-6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường mở. Rơle trung gian được sử dụng khi khả năng đóng ngắt của tiếp điểm của Rơle chính không đủ, hoặc chia tín hiệu từ Rơle chính đến nhiều bộ phận khác nhau của sơ đồ mạch điện điều khiển. Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử , Rơle trung gian thường được dùng làm phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các bộ phận mạch phía sau, đồng thời các ly điện áp khác nhau giữa phần điều khiển thường là điện áp thấp 1 chiều( 5V, 10V, 12V, 24V) với phần chấp hành thường là điện áp lớn xoay chiều (220V, 380V). Hinh 5.1.Rơle trung gian kiểu chân cắm. Gồm 4 tiếp điểm 2 thường đóng 2 thường mở Có đèn báo Những yêu cầu khi chọn Rơle trung gian: Công suất tiêu thụ nhỏ. Kết cấu sử dụng đơn giản. Công suất ngắt của hệ thống tiếp điểm là đủ lớn. Độ bền cơ, độ bền điện của cặp tiếp điểm. Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhưu cầu sử dụng. 5.2.Encoder 5.2.1. 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 5.2. 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. 5.2.2. Các loại Encoder Encoder được chia làm hai loại 5.2.2.1. 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 5.3. 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 5.2.2.2. 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 5.4. 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 5.5. 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 5.6.: 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 5.3. Cảm biến hồng ngoại 5.3.1 Diode phát hồng ngoại Hình 5.7. 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 . 5.3.2. 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 5.8. 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 5.3.3.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 nhiều cách . Chúng có thể được 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. Hoặc chúng có thể được 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. 5.4. Máy biến áp 5.4.1. Yêu cầu của máy biến áp Do sử dụng nhiều mức điện áp để cung cấp cho các thiết bị hoạt động nên ta cần có máy biến áp .Cụ thể có các mức điện áp sau khi quy đổi như sau: + Động cơ cần ba cấp điện áp để thay đổi tốc độ là : - 4 V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc) =3.5 V xoay chiều. -6 V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc) =5 V xoay chiều . - 9 V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc) =7.5 V xoay chiều +Vi sử lý dùng cuộn: 5V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc +ổn áp tuyến tính) =5.5 V xoay chiều +Đầu vào Encorder 5V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc + ổn áp tuyến tính) =5.5 V xoay chiều +PLC: 12V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc) =9.5 V xoay chiều 24V 1chiều (qua chỉnh lưu + tụ lọc) =19 V xoay chiều + Đèn : 20V xoay chiều -- Từ yêu cầu của việc thiết kế ta chọn máy biến áp có các thông số sau: + điện áp cuộn sơ cấp:220V +Các cuộn thứ cấp có các mức điện áp sau:3.5V, 5V, 5.5V, 7.5V , 9.5V, 19V , 20V 220V 3.5 V 5.0 V 7.5 V 19 V V 9.5 V 20 V 5.5 V 5.5 V Hình 5.7 .Sơ đồ nguyên lý máy biến áp 5.4.2.Tính chọn máy biến áp - Chọn lõi biến áp hình chữ E: Hình 5.8. 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) -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 19V -> 44 vòng 9.5 V -> 22 vòng 20 V -> 46 vòng Chương vi ứng dụng plc điều khiển đóng mở cửa tự động 6.1. thiết bị điều khiển PLC 6.1.1.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. 6.1.2. 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 6.1.3. Cấu trúc cơ bản 6.1.3.1. 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. 6.1.3.2 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 6.1.3.3. Input - Số lượng - Xoay chiều, một chiều - Số - Tương tự 6.1.3.4. Out put - Số lượng - Tiếp điểm - Số - Tương tự 6.1.3.5. Ghép nối - Console - Máy tính - Phần mềm 6.1.3.6. Bus: - Bus địa chỉ - Bus dữ liệu - Bus hệ thống - Bus điều khiển 6.2. Sự ưu việt của kỹ thuật PLC - Thời gian lắp đặt công trình ngắn hơn . - Dễ dàng thay đổi mà không gây tổn thất tài chính . - Có thể tính toán được chính xác giá thành . - Cần ít thời gian huấn luyện . - Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm . - ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng . - Dễ bảo trì . Các chỉ thị vào ra giúp sử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn . - Độ tin cậy cao . - Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển . - Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt : Nhiệt độ , độ ẩm , điện áp dao động , tiếng ồn ... 6.3. Giới thiệu về PLC SIMATIC S7- 200 6.3.1Cấu hình : Hình:6.1. PLC dùng trong mô hình cử tự động Simatic S7-200 là thiết bị điều khiển lô gíc khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu mô đul và có các môđul mở rộng. Các môđul này sử dụng cho nhiều loại ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi sử lý của CPU 222. Về hình thức bên ngoài nhận biết được nhờ số đầu vào / ra và nguồn cung cấp CPU 222 có 10 đầu vào và 8 đầu ra Tổng số đầu vào / ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổngra Có 256 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 8 timer 1ms , 32 timer 10ms , 208 timer 100ms . Tổng có 256 bộ đếm chia làm 2 loại : Chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi Các chế độ ngắt và xử lí ngắt bao gồm : Ngắt truyền thông , ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống , ngắt theo thời gian , ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian là 190 h khi PLC mất nguồn nuôi. Có 368 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. Dải tín hiệu vào từ 15 đến 30V điện áp một chiều 4mA Có cách ly quang 500VAC 1 phút. 6.3.2. Mô tả các đèn báo trên S7 -200 SF ( đèn đỏ): báo hiệu hệ thống bị hỏng. RUN ( đèn xanh): chỉ thị PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp trong máy. STOP ( đèn vàng): Đèn này chỉ thị PLC đang ở chế độ dừng. Dừng chương trình đang thực hiện lại. Ixx ( Đèn xang ): Đèn xanh ở cổng vào chỉ thị ở trạng thái tức thời của cổng. Đèn báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng Qyy: Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng 6.3.3.Mở rộng cổng vào ra Thế hệ Simantic S7-200 rất linh hoạt và hiệu quả sử dụng cao do những đặc sau: + Cố nhiều loại CPU khác nhau trong hệ S7-200 nhằm đáp ứng nhu cầu khác nhau của từng ứng dụng. + Có nhiều Modul mở rộng khác nhau nhw Modul ngõ vào/ ra tương tự, Modul ngõ vào/ ra số. +Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng Profibus-DP như là một Slave. + Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng AS –I như là một MASTER. +Phần mềm STEP7 Mico/ win sofwarl 6.3.4. Thực hiện chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp . Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét . Mỗi vòng quét được bắt đàu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo , tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình . Trong từng vòng quét , chương trình đưọcc thực hiện bằng lẹnh đầu tiên và kết thúc bằng lẹnh kết thúc . Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo tới cổng ra. 6.3.5. Cấu trúc chương trình của S7-200: Cố thể lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm sau: -STEP7-Micro/DOS. - STEP7-Micro/ WIN. Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc chương trình chính và sau đó đến các chương trình con và chương trình xử lý ngát được chỉ ra sau đây: - Chương trình chính được kết thúc bằnglệnh kết thúc chương trình (MEND). - Chug trình con là một bộ phận của chương trình , các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh MEND - Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phậncủa chương trình .Nừu cần sử dụng chương trình , cần xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND -Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đếnngay các chương trình xử lý ngắt . Bằng cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràngvà thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. 6.3.6. Ngôn ngữ lập trình 6.3.6.1. Phương pháp lập trình S7-200 biểu diễn một mạch logic cùng bằng một dãy các lệnh lập trình. Chug trình bao gồm một dãy các lệnh . S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh cuối cùng trong một vòng. Cách lập trình cho S7 -200 nói riêng và cho các PLC của siemens nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản sau: - Phương pháp hình thang( Ladder Logic ) viết tắt là LAD - Phương pháp liệt kê lệnh (Statemnt List ) viết tắt là STL Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD , thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một chương trình theo kiểu STL tương ứng.Nhưng ngược lại không phải một chương trình nào được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển được sang LAD + Định nghĩa về LAD LAD là một ngôn ngữ lập bằng đồ hoạ. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau: - Tiếp điểm: Là biểu tượngmô tả các tiếp điểm của rơle , các tiếp điểm đó thể là thường mở hoặc thường đóng - Cuộn dây: là biểu tượng mô tả các rơle được mắctheo chiều dòng điện cung cấp cho rơle. - Hộp : là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau , nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp .Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian ( timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện. - Mạng LAD : Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh , đi từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải . Đường nguồn bên trái là dây nóng , đường nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đường trở về nguồn.Dòng điện chạy từ bên trái qua các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn . 6.4. Chương trình chạy của đóng mở tự động 6.4.1. Lưu đồ chương trình 6.4.2. Giản đồ thang 6.4.3. Mạch đảo chiều và thay đổi tốc độ đóng mở cửa Hình 6.2.Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều và thay đổi Tốc độ đóng mở cửa tự động