Nghiên cứu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động dùng cho đào tạo

Y= Y1 đến Y= Y2 (nhảy bậc). Nếu X tăng tiếp thì Y không đổi Y= Y2 . Khi X giảm từ X2 về lại X1 thì Y= Y2 đến X= X1 thì Y giảm từ Y2 về Y= Y1. Nếu gọi : + X=X2= Xtđ là giá trị tác động rơ le. + X=X1=Xnh là giá trị nhả của rơ le. 2.7.4.1. Các thông số của rơle. a. Hệ số điều khiển rơle. - Pđk là công suất điều khiển định mức của rơ le, chính là công suất định mức của cơ cấu chấp hành. - Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơ le tác động. b.Thời gian tác động. Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấu chấp hành làm việc. Với rơ le điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấp dòng ( hay áp) cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểm thường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp điểm thường đóng). 2.7.4.2. Một số loại rơle thông dụng. a. Rơle trung gian. - Rơ le trung gian được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện trong các hệ thống điều khiển tự động. - Do có số lượng tiếp điểm lớn, từ 4 đến 6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường mở. Rơ le trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt của rơ le chính không đủ, hoặc chia tín hiệu từ rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của sơ đồ mạch điều khiển. - Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử, Rơ le trung gian thường được dùng làm các phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho bộ phận mạch phía sau, đồng thời cách ly điện áp giữa phần điều khiển thường là điện áp thấp, một chiều (5V, 10V, 12V, 24V) với phần chấp hành thướng là điện áp lớn xoay chiều (220V, 380V). Hình 2.22. Rơ le trung gian Những yêu cầu khi chọn rơ le trung gian. Công suất tiêu thụ nhỏ. Kết cấu sử dụng đơn giản. Công suất ngắt của hệ thống là đủ lớn. Độ bền cơ, độ bền điện của cặp tiếp điểm. Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhu cầu sử dụng. b. Rơ le thời gian. Trong tự động điều khiển và bảo vệ thường gặp phải những trường hợp cần có một khoảng thời gian giữa những thời điểm tác động của hai hay nhiều thiết bị hoặc trong tự động hóa quá trình sản xuất, nhiều khi phải tiến hành những thao tác kế tiếp nhau cách nhau những khoảng thời gian xá định. Để tạo nên những khoảng thời gian đó người ta dùng rơ le thời gian. Như vậy rơ le thời gian là thiết bị khi có tín hiệu vào rơ le thì sau một thời gian xác định rơ le phát tín hiệu ở đầu ra (còn gọi là rơ le trễ thời gian hay bộ trễ). Rơ le thời gian có nhiều loại cấu tạo, nguyên lý hoạt động khác nhau như: rơ le thời gian điện từ, kiểu thủy lực, kiêủ đồng hồ, kiểu kỹ thuật số. Tùy theo yêu cầu công nghệ giá thành mà ta chọn cho phù hợp. Những yêu cầu khi chọn rơ le thời gian. Khả năng duy trì thời gian ổn định chính xác, không phụ thuộc dao động của điện áp nguồn cấp, tần số nhiệt độ môi trường… Công suất ngắt của hệ thống tiếp điểm là đủ lớn. Công suất tiêu thụ nhỏ. Kết cấu sử dụng đơn giản. Số tiếp điểm rơ le cung cấp. Hầu hết các loại rơ le yêu cầu trở về trạng thái khi tín hiệu điện vào ban đầu bằng không, do đó yêu cầu hệ số nhả cao. Hình 2.23. Rơ le thời gian 2.8. THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 2.8.1. 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 một chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm : * Ưu điểm: Nhiều khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải không những thế cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các ngành cồng nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…. * Nhược điểm: Bên cạnh đó động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó: Giá thành của động cơ điện một chiều lớn hơn động cơ điện xoay chiều, chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện)… Nhưng do những ưu điểm nên động cơ điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất. Hình.2.24. Động cơ điện một chiều 2.8.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia làm hai phần chính phần tĩnh và phần động. a. Phần tĩnh (stato). Đây là phần đứng yên của máy bao gồm những bộ phận 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 từ những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày từ 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện kỹ thuật thành một khối, tấm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ nối tiếp với nhau. 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 tạo lại giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong. Gông từ. Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Các bộ phận khác. - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật bên ngoài rơi vào gây hư hổng và an toàn cho người sử dụng không bị chạm vào điện. Trong máy điện vừa và nhỏ nắp máy còn có tác dụng làm gá đỡ ổ bi. - Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ chổi than ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm chổi than đặt trong hộp chổi than chò một lò xo tỳ chặt trên cổ góp. Hộp chổi than được đặt 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. Hình 2.25. Cực từ chính b. Phần quay (roto). Bao gồm những bộ phận chính sau: Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Trong 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 dây quấn vào. Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường đạp các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ. Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến ghép bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục. Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm meca đặt ở giữa. Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau. Các bộ phận khác. Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Trục máy: Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên hai vòng bi ở nắp máy Hình 2.26. Cấu tạo động cơ điện một chiều 2.8.1.2 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều: Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện trong nam châm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sđđ Eư chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện. Phương trình điện áp sẽ là: U = Eư + RưIư. (3.1) d c Iư c b d B Fđt Fđt a Hình 2.27. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều có chổi than 2.8.1.3. Điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều. a. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ moomen. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có 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 tốc độ rộng. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: với (3.2) hay Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ), phụ thuộc vào Ф (từ thông ), R (điện trở),U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có các phương pháp sau: - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. b. Đảo chiều động cơ. Để đảo chiều quay của động cơ một chiều ta đảo chiều quay mômen động cơ bằng 1 trong 2 cách. M= KФI - Đổi chiều từ thông Ф (đảo chiều Ikt) còn I giữ chiều cũ nghĩa là cực tính của điện áp đặt vào giữ nguyên như cũ. Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ . Khi máy đang quay do hệ số điện cảm của cuôn dây kích từ lớn ( do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích Ikt thì xuất hiện s.đ.đ cảm ứng rất cao gây ra điện áp đánh thủng cách điện dây quấn kích từ. - Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chọn phương pháp đảo chiều dòng phần ứng. Hình 2.28. Dòng điện qua roto đảo chiều Hình 2.29. Sơ đồ dòng điện khi đi qua stator và roto 2.8.2 Động cơ điện xoay chiều. 2.8.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Hình 2.30. Động cơ điện xoay chiều một pha Động cơ điện xoay chiều gồm có hai phần chính là stato và roto. - Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. - Roto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây cuốn trên lõi thép. Khi mắc động cơ và mạng điện xoay chiều, từ trường quaydo stato gây ra làm cho roto quay trên trục. Chuyển động quay của roto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc cơ cấu truyền động khác. 2.8.2.2. Phân loại. Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: - động cơ 3 pha. - động cơ 1 pha. Và nếu theo tốc độ có thể phân thành 2 loại: - động cơ đồng bộ. - động cơ không đồng bộ. Động cơ điện xoay chiều 3 pha. Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba nam châm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn. Cách bố trí các cuộn dây tương tự như trong máy phát điện ba pha, nhưng trong động cơ điện người ta đưa dòng điện từ ngoài vào các cuộn dây. Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Động cơ điện xoay chiều 1 pha. Dựa theo nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, người ta chế tạo được những động cơ không đồng bộ một pha. Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện. Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trường quay. Động cơ không đồng bộ một pha chỉ đạt được công suất nhỏ, nó chủ yếu được dùng trong các dụng cụ gia đình như quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước… 2.8.2.3. Điều khiển động cơ điện xoay chiều. - Điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha có sử dụng biến tần . - Động cơ điện xoay chiều có chổi than giống với động cơ điện một chiều. - Điều chỉnh các loại động cơ điện xoay chiều một pha bạn có thể dùng các bộ control panel của các hãng như OMROM, Mitshubishi…. * Ưu điểm : + Sử dụng được điện trực tiếp từ lưới, công suất động cơ lớn hơn. * Nhược điểm: + Chi phí cao. + Luôn chịu điện áp lớn đặt vào động cơ nên độ bền động cơ không cao 2.8.3. Động cơ bước. 2.8.3.1. Cấu tạo động cơ bước : Động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Động cơ bước có thể được mô tả như một động cơ điện không đồng bộ chuyển mạch . Cụ thể , các mấu trong động cơ là stator và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở,nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên vị trí cố định nào cũng như quay đến bất kì vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi độngvà dùng lại dễ dàng ở các vị trí bất kì. 2.8.3.2. Phân loại nguyên lý hoạt động động cơ bước . a. Phân loại : Động cơ bước được chia làm hai loại: Nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (ngoài ra còn có động cơ hỗn hợp, động cơ này không có gì khác biệt so vói động cơ nam châm vĩnh cửu). b. Nguyên lý hoạt động chung của động cơ bước. Động cơ bước thông thường Roto là nam châm vĩnh cửu trên đó có các cặp nam châm N- S định sẵn. Stato là cá cuộn dây. Khi cuộn dây được cấp điên theo định luật cảm ứng điện từ, roto sẽ quay tới điểm trung tính vật lý của từ trường và giữ cân bằng tại điểm đó. Do vậy khi phối hợp cấp điện cho cuộn dây một cách hợp lý, roto sẽ chuyển động theo chiều dịch chuyển của từ trường tạo nên chuyển động quay của động cơ. Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của từ trường 2.8.3.3. Các chế độ hoạt động khi điều khiển động cơ bước. Thông thường động cơ bước hoạt động ở hai chế độ cơ bản: - Chế độ cả bước (Fullstep) - Chế độ nửa bước (Halstep) Hai chế độ trên rất hay gặp trong thực tế và chúng cũng có các ưu nhược điểm nhất định. Sau đây là phần trình bày chi tiết hai chế độ đã nêu. Chế độ cả bước (Fullstep): Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ cả bước : Các bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách đóng mở đồng thời cùng lúc các cuộn dây một cách hợp lý tạo nên từ trường quay trong động cơ. Chế độ nửa bước (Halfstep): Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ nửa bước: Bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách xen kẽ cấp điện cho một cuộn dây với việc cấp điện đồng thời cho các cuộn dây tương ứng. Vì vậy mà bước quay của động cơ giảm đi một nửa. Hay nói cách khác chế độ hoạt động nửa bước là mở rộng của chế độ hoạt động cả bước. Ưu nhược điểm của hai chế độ trên: Cùng với một tần số clock thì động cơ hoạt động ở chế độ Fullstep chạy nhanh hơn ở chế độ nửa bước sẽ có momen khỏe hơn chế độ hoạt động cả bước . Trong vùng tốc độ cao điều này là ngược lại. Điềunày được giải thích do quán tính của động cơ. Ở cùng một tốc độ ( trong vùng tốc độ thấp ) nếu dòng điện qua động cơ không đổi thì tức là mỗi cuộn dây trong chế độ nửa bước sẽ chịu dòng lớn hơn và mỗi bước của động cơ chỉ bằng một nửa so với chế độ (cả bước) nên mômen động cơ sẽ khỏe hơn. Khi hoạt động trong vùng tốc độ cao thì thực chất là cùng tốc độ trên trục động cơ ở chế độ nửa bước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần so với chế độ cả bước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần với chê độ cả bước và do tính chất điện cảm của cuộn dây tốc độ qua nhanh sẽ làm cho dòng điện không kịp biến thiên ( không tăng kịp) điều này làm giảm mạnh momen trên trục động cơ. Động cơ bước nguồn đơn cực: Hình 2.31. Động cơ bước nguồn đơn cực Đây là loại động cơ phổ biến thường gặp trong thực tế do tính chất đơn giản của động cơ về nguồn cấp cũng như phương pháp điều khiển và đo đạc thông số của động cơ, đọng cơ thường được sử dụng trong sản xuất điều khiển chính xác. Động cơ bước nguồn lưỡng cực: Hình 2.32. Động cơ bước nguồn lưỡng cực Động cơ gồm hai cuộn dây độc lập do đó để điều khiển hoạt động như động cơ nguồn đơn cực thì ta phải đảo chiều từ trường bằng cách đảo chiều dòng điện dòng điện cấp vào động cơ. Có hai cách để thực hiện việc trên. Sử dụng nguồn có V+ và V- sau đó đóng cắt một cách hợp lý để tạo ra từ trường quay. Chính vì lý do này mà ta gọi động là động cơ nguồn lưỡng cực. Sử dụng mạch cầu H- B và chỉ sử dụng nguồn đơn cực. Phương pháp này hay gặp trong thực tế do nguồn đơn cực phổ biến hơn. Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các loại động cơ điện trên, ta nên chọn loại động cơ một chiều cho mô hình vì nó có sử dụng điện áp một chiều, công suất nhỏ, kích thước nhỏ gọn phù hợp với mô hình, dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay. Ở đồ án này đối tượng nghiên cứu là động cơ điện một chiều có chổi than kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Động cơ nam châm vĩnh cửu có công suất từ vài chục đến vài trăm Oát được dùng trong truyền động công suất nhỏ trong ôtô, máy bay và trong các hệ tự động khác. Các động cơ thường dùng ở chế độ nhắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại, cho phép mở máy và đảo chiều quay không có biến trở trong mạch phần ứng. Tốc độ quay của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng cũng như sử dụng điện áp xung để điều chỉnh tốc độ quay. Ưu điểm. So với máy có kích thích kiểu điện từ, máy điện mộ chiều nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn, điều khiển, làm mát dễ dàng hơn, kiahcs thước lắp đặt, trọng lượng và giá thành nhỏ hơn, kích thích ổn định hơn vì từ truongf nam châm vĩnh cửu không phụ thuộc vào tốc độ quay. Nhược điểm. Tốc độ quay và điện áp phần ứng không điều chỉnh bằng cách thay đổi từ trường kích thích được. Khi công suất vượt quá vài chục Oát thì chúng không thể so sánh được với các máy có kích thích kiểu điện từ về mặt kích thước lắp đặt, trong lượng và giá thành. Vật liệu có trong thành phần các hợp kim làm nam châm rất hiếm, công nghệ từ hóa và chế tạo nam châm phức tạp hơn. Trong mô hình cửa tự động ta sử dụng động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu vì: Với mô hình nhỏ thì chỉ cần một động cơ công suất nhỏ là đủ. Vì vậy sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu sẽ cho hiệu quả cao hơn. Động cơ nam châm vĩnh cửu với kích thước, trọng lượng nhỏ dễ dàng bố trí hơn. Động cơ nam châm vĩnh cửu có giá thành rẻ hơn và dễ kiếm trên thị trường. CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH. 3.1.1 Mục đích và yêu cầu của mô hình. 3.1.1.1. Mục đích của việc nghiên cứa thiết kế mô hình. - Tạo ra một mô hình cửa tự động có thể hoạt động tốt, từ đó có thể thiết kế được cửa tự động trong thực tế. - Việc nghiên cứu ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điều kiện cho sinh viên có cơ hội học tập và nghiên cứu môn học một cách thực tế. - 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 lĩnh vực tự động hóa mà còn nhiều lĩnh vực , ngành nghề khác như điện, điện tử cơ khí…. 3.1.1.2. Các yêu cầu của mô hình . * Yêu cầu về chương trình chung. - Phải đáp ứng về chương trình chung. - Chương trình điều khiển cửa cần đảm bảo điều khiển cửa đóng mở một cách thông minh theo đúng yêu cầu công nghệ. - Dùng kỹ thuật PLC để điều khiển chương trình hoạt động của cửa. * Yêu cầu về cơ khí. - Mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt động càng tốt, 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 trượt, xích, bánh răng, trục quay….. - Ngoài ra, còn có các kết cấu phụ đề tạo ra mô hình cửa tự động thật hoàn chỉnh như cửa thật. - Hệ thống cơ hoạt động tốt. - Hệ thống điện tốt, hoạt động đúng theo thiết kế. 3.2. LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG. Động cơ truyền động là động cơ dùng để biến đổi năng lượng ddienj thành năng lượng cơ Động cơ điện một chiều có chổi than kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những có 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 tốc độ rộng. Hình 3.1. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 3.2.1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. E I Rf U Ikt Rkt U CKT Ukt Hình 4.2. Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiềudùng cuộn kích từ. Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = E + Iư (Rư + Rf ) Trong đó: U: Điện áp nguồn cấp (V) E: Suất điện động của động cơ (V) Iư: Dòng điện phần ứng động cơ (A) Rư + Rf: Điện trở mạch phần ứng và điện trở phụ. Với Rư = rư + rcf + rb + rct. rư : Điện trở dây quấn phần ứng (Ω) rcf:: Điện trở cuộn cực từ phụ (Ω) rb : Điện trở cuộn bù (Ω) rct : Điện trở tiếp xúc của chổi than (Ω) Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: E­ = với Trong đó: P: Là số đôi cực từ chính N: Là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây cực từ chính a: Là số đôi mạch nhánh song song θ: Là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb) ω: Là tốc độ góc roto (rad/ s) . Ta có : Eư = Ke. θn → Mô men điện từ: Mđt = K.θ.ω Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen trên trục động cơ bằng momen điện từ: Mđt = Mcơ = M Suy ra: Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều dùng cuộn kích từ. Dạng đặc tính cơ của động cơ được thể hiện trên hình ( 4.3 ). w wo M 0 Hình 3.2. Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiềudùng cuộn kích từ Dạng dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dạng tuyến tính với tốc độ không tải lý tưởng ω0 và độ cứng đặc tính β Nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng ω0 phụ thuộc vào điện áp . Khi Uư = Uđm thì ta có ω0đm. Độ cứng đặc tính cơ β phụ thuộc vào điện trở Rf. Khi Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. 3.2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: với hay Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ), phụ thuộc vào Ф (từ thông ), R (điện trở),U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có các phương pháp sau: - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 3.2.2.1. Thay đổi điện trở phụ. Giả thiết Uư = Uđm và Ф = Фđm 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 lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ: Khi tăng điện trở phụ độ cứng đặc tính cơ suy giảm. Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf =0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ M TN Rf1 Rf2 Rf3 Mc Rf4 ω0 ω 0 Hình 3.3.Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Như vật khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như H.4.2. Ứng với một phụ tải MC nào đó, nếu Rf càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. 3.2.2.2. Thay đổi từ thông kích từ. Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phân ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kaichs từ Ikt động cơ. Tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. ω02 ω01 ω0 Ф2 Ф1 Фđm,TN Mc Mnm2 Mnm1 Mnm M 0 ω Hình 3.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiềukích từ độc lập khi thay đổi từ thông Khi thay đổi từ thông. Dòng điện ngắn mạch: Momen ngắn mạch: Với dạng momen phụ tải Mc thích hợp với chế độ với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên. 3.2.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng. Để điều chỉnh điện 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 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 Ib khác không, ở chế độ xác lập phương trình đặc tính của hệ thống U Eb(udk) Eu Rud I Rb BBD Udk LK Hình 3.5. 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 thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Trong đó Km là hệ số qua tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường song song nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết. w wo max wmax wo min wmin Mđm Mnm min wđk1 wđki M,I Hình 3.6. Xác định phạm vi điều chỉnh w wo w01 wo2 w03 Mđm Mnm min TN(Uđm) MI U3<U2 U2<U1 U1<Uđm Hình 3.7. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp. Thực tế chỉ được giảm U< Uđm. Vì vậy khi Vx giảm thì wx giảm. Còn βI và βcơ không phụ thuộc vào điện áp βI = βcơ = const M= KФđmI tỉ lệ bậc nhất với I Khi thay đổi điện áp ta được họ đặc tính song song với nhau Tuy nhiên, do công suất động cơ dùng trong mô hình nhỏ (20- 40W) nên ta không thể dùng phương pháp thế điện trở phụ vào vì như vậy sẽ làm giảm hiệu suất động cơ điện Động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từ thông không thay đổi do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được. Do đó ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ cho cửa tự động bằng cách thay đổi điện áp.Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấy cá các ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: - Hiệu suất điều chỉnh cao hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ. - Việc làm giảm điện áp dẫn đến mô men mở máy dòng điện khởi động của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục. - Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lí tưởng. Nhược điểm: Phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn áp điều chỉnh được nên vốn đầu tư cơ bản và phí vận hành cao. Tuy nhiên nhờ những ưu điểm nối trên phương pháp này đã được dùng trong mô hình của tự động 3.2.3. Các phương pháp đảo chiều động cơ. Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay của momen nên để đảo chiều quay động cơ có hai phương pháp: Đổi chiều dòng phần ứng. Đổi chiều từ thông ( đổi chiều dòng kích từ Ikt) Nếu dùng phương pháp đổi chiều dòng kích từ. Khi máy dang quay do hệ số điện cảm của cuộn dây kích từ lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích từ thì xuất hiện s.đ.đ cảm ứng rất cao gây ra điện áp đánh thủng cách điện dây quấn kích từ Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chọn phương pháo đảo chiều dòng phần ứng 3.3. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC.. 3.3.1.Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ. Để điều chỉnh tốc độ nhanh, chậm của trong mô hình cửa tự động và đáp ứng được một trong những yêu cầu công nghệ nêu ở phía trên ta có thể sử dụng phương pháp thay đổi điện áp bằng cách: Sử dụng phương pháp thay đổi điện áp thông qua chỉnh lưu cầu một pha để điều chỉnh tốc độ động cơ. Dùng mạch băm xung áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ. Cuốn máy biến áp với nhiều cấp điện áp khác nhau. 3.3.2.Lựa chọn phương án đảo chiều động cơ. - Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. - Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. 3.3.3. Các phương án chọn sơ đồ mạch lực. Phương án 1. Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. Đổi cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ. Phương án 2. Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. Dùng mạch băm xung sử dụng Ic logic để điều chỉnh tốc độ. 3.3.3.1. Phương án 1. - Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. - Đổi cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ. RM RN RM RN RC RC RD RC C D N M Uv1 Uv2 CL1 CL2 Hình 3.8. Sơ đồ cầu tiếp điểm Nguyên lý làm việc. - Khi tiếp điểm M có điện: Công tắc tơ RM có điện hút các tiếp điểm thường mở RM đóng lại - Nếu tiếp điểm N có điện : Công tắc tơ RN có điện hút các tiếp điểm thường mở RN đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL1 chỉnh lưu dòng UN thành dòng một chiều. Động cơ chạy với tốc độ V1, cửa mở nhanh. Nếu tiếp điểm C có điện: Công tắc tơ RC có điện hút các tiếp điểm thường mở RC đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL2 chỉnh lưu dòng UC. Động cơ chạy với tốc độ V2, cửa mở chậm. Khi tiếp điểm D có điện : Công tắc tơ RD có điện hút các tiếp điểm thường mở RD đóng lại Khi tiếp điểm N có điện: Công tắc tơ RN có điện hút các tiếp điểm thường mở RN đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL1 chỉnh lưu dòng UN. Động cơ chạy với tốc độ V1, cửa đóng nhanh. Nếu tiếp điểm C có điện: Công tắc tơ RC có điện hút các tiếp điểm thường hở RC đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ tù cấu chỉnh lưu CL2 chỉnh lưu dòng UC. Động cơ chạy với tốc độ V2, cửa đóng chậm Như vậy sơ đồ trên đã đảm bảo thực hiện yêu cầu công nghệ điều khiển tốc độ động cơ truyền động cửa theo 2 cấp tốc độ đồng thời kết hợp với PLC đảo chiều động cơ giúp đảo chiều chuyển động của cửa. Ưu điểm cửa phương án 1 là đơn giản và rẻ tiền, thích hợp để áp dụng vào mô hình cửa tự động với chi phí thấp giúp sinh viên có thể thực hành chế tạo vì thế ta chọn phương án một la 3.3.3.2. Phương án 2. Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. Dùng mạch băm xung sử dụng IC logic để điều tốc độ. DC PWM RN RC D1 D2 D3 D4 T1 T2 T3 T4 220v RM RD RM RD +24v -24v Hình 3.9. Sơ đồ mạch động lực Nguyên lý làm việc: Trong khoảng thời gian từ 0 – Π van D1 và van dẫn D3 dẫn điện áp trên tải UAB bằng điện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu. Dòng điện có chiều từ A sang B. Trong nửa chu kỳ tiếp theo, từ Π – 2Π van D2 và D4 dẫn, điện áp trên tải UAB bằng điện áp U2. Dòng điện vẫn theo chiều từ A sang B. Trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp dòng điện đều có chiều không đổi từ A sang B, điện áp đầu ra AB luôn ở phần dương. Do đó có thể thấy dòng xoay chiếu đã được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Băm xung áp một chiều. Khi RN có cấp Udkn vào mạch điều chế độ rộng xung: Khi RM có dòng điều khiển T1 vầ T3 mở, T2 và T4 khóa. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu điốt chạy qua T1 – T3 dòng phần ứng động cơ có chiều từ A – B, động cơ chạy thuận theo chiều từ A – B, kéo cửa mở với tốc độ nhanh V1. Khi RM có dòng điều khiển T1 và T3 khóa, T2 và T4 mở. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T4 – T2 dòng phần ứng động cơ có chiều từ B – A, động cơ đảo chiều kéo cửa đóng nhanh với tốc độ V1 Khi RC có cấp Uđkn vào mạch điều chế độ rộng xung: Khi RM có dòng điều khiển T1 và T3 mở, T2 và T4 khóa. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T1 – T3 dòng phần ứng động cơ có chiều từ A – B, động cơ chay thuận theo chiều từ A – B, kéo mở cửa với tốc độ chậm V2. Khi RĐ có dòng điều khiển T1 và T3 khóa, T2 và T4 mở. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T4 – T2 dòng phần ứng động cơ có chiều từ B – A, động cơ đảo chiều kéo cửa đóng với tốc độ chậm V2. γ t1 t2 t3 t4 t5 Uđk URC t t U U Hình 3.10. Nguyên lý điều khiển băm áp một chiều Khi có điện áp một chiều không đổi U0. Để có những giá trị điện áp một chiều khác nhau có thể thực hiện bằng cách : Biến đổi điện áp một chiều U0 thành một dãy xung có biên độ U0 với chu kỳ ban đầu là T0, nhờ việc thay đổi thời gian Tc (Tc – thời gian có xung) và thời gian Tk (Tk - thời gian không có xung) khi đó giá trị điện áp trung bình thu được trong mỗi trường hợp chính là những giá trị điện áp một chiều khác nhau cần có Tck Tck Tck Tc1 Tk1 Tc1 Tk1 Tc1 Tk1 Tk1 Tc1 Tk1 Tk1 Tc1 Tc1 Uvào Ung Ura Ung Utb1 Ura Ung Utb2 Hình 3.11. Giản đồ băm điện áp một chiều cấp cho phần ứng động cơ truyền động Hình .3.12. Giản đồ tín hiệu của bộ băm xung bằng cách điều chế độ rộng xung. Để thực hiện băm xung áp một chiều thành nhiều cấp điện áp ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số hoặc bằng cách thay đổi tần số hoặc bằng cách giữ tần số cố định thay đổi độ rộng xung. Tần số của chuỗi băm xung cũng là một nhân tố quan trọng. Một tần số quá thấp sẽ gây ra hậu quả là gây ồn ở tốc độ và chậm đáp ứng với với sự thay đổi của vòng chu kỳ. Một tần số quá cao làm giảm hiệu suất của hệ thống nên chọn tần số từ 200Hz đến 400Hz. Với phương pháp thay đổi tần số để có được một dải điều chỉnh tốc độ như mong muốn thì việc tạo mạch dao động tần số phức tạp hơn việc tạo ra một mạch phát xung chuẩn với tần số 300Hz hoặc 400Hz và trong quá trình điều chỉnh phương pháp thay đổi tần số không tránh khỏi việc vượt qua tần số cho phép vì vậy băm xung áp một chiều trong mô hình cửa tự động bằng cách giữ tần số cố định thay đổi độ rộng xung trở nên đơn giản hơn với dải điều chỉnh từ 30% đến 95%. Với phương án 2 động cơ truyền động được điều chỉnh tốc độ trơn hơn, phạm vi điều chỉnh cao hơn Ưu điểm cửa phương án 1 là đơn giản và rẻ tiền, thích hợp để áp dụng vào mô hình cửa tự động với chi phí thấp giúp sinh viên có thể thực hành chế tạo vì thế ta chọn phương án một làm phương án thực hiện mạch động lực. 3.3. LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG THIẾT KẾ CỬA 3.3.1. Thiết kế các phần tử cơ trong mô hình 3.3.1.1. Khung cửa. Hình 3.13.Khung mô hình cửa tự động Khung cửa được chế tạo hoàn toàn bằng khung sắt hộp vuông kích thước cạnh là 1cm và chiều dày của sắt là 1mm. 3.3.1.2. Con lăn. Con lăn bằng sắt được dùng loại có sẵn tại xưởng chế tạo và lắp ráp Hình 3.14. Con lăn 3.3.1.3. Đường ray. Đường ray được chế tạo bằng gỗ có hình dang và kích thước Hình 3.15. Đường ray Chiều dài của cả đườn ray là 1200 mm 3.3.1.4. Puli Puli được làm bằng nhựa và với hình dạng và kích thước: Hình 3.16. Puli a. Puli gắn phía bên trục động cơ b. Puli gắn bên còn lại. 3.3.1.5. Cánh cửa: Hình 3.17. Cánh cửa 3.3.2. Phần tử điện: 3.3.2.1. Động cơ: Động cơ truyền động sử dụng trong mô hình chỉ cần loại động cơ công suất nhỏ từ 20W đến 40 W. Động cơ dùng trong đồ án với thông số. Điện áp làm việc: 24V Công suất: 30 W Hình 3.18. Động cơ trong mô hình 3.3.2.2. Encoder. Encoder là loại Encoder gia xung với điện áp làm việc là 5V Việc xác định vị trí và dịch chuyển của cánh cửa đóng vai trò hết sức quan trọng trong kỹ thuật. Công tắc từ hành trình không được đưa vào sử dụng trong mô hình. Encoder được đưa vào mô hình như một phương án tối ưu cho việc xác định vị trí của cánh cửa trong mô hình. Vì mô hình thiết kế cửa tự động nhỏ và với ưu điểm nêu trên chúng em đã dùng Encoder gia số kiểu xung là thiết bị xác định vị trí của cánh cửa. Vì với Encoder gia số kiểu xung có dạng đầu ra dạng xung nên so với nhưng Encoder gia số khác thì trong các hệ thống điều khiển nó không cần đến các bộ chuyển đổi ADC, giúp cho qua trình sử dụng dễ dàng hơn. Hình 3.19. Encoder sử dụng trong mô hình 3.3.2.3. Cảm biến: Cảm biến sử dụng trong mô hình là cảm biến hồng ngoại Hình 3.20. Cảm biến hồng ngoại 3.3.2.4. Sensor thu hồng ngoại. Sensor thu sử dụng các loại sensor PNA4602M hoạt động ở tần số sóng mang 38Khz hình dạng của sensor như hình vẽ. Hình 3.21. Cấu tạo và kích thước của sensor thu hồng ngoại Nguyên lý hoạt động của sensor. Hình 3.22. Nguyên lý hoạt động của Sensor Khi không có hồng ngoại điện áp ra V0 = Vcc = +5V Khi có hồng ngoại điện áp ra V0 = Vcc - 0.7V 3.3.2.5. PLC. PLC sử dụng trong mô hình là loại S7 – 200 CPU 222. Hình 3.23. PLC S7 – 200 CPU 222 3.3.2.6. 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, 5V, và 7,5V. - PLC cần 12V và 24V một chiều có lọc → nguồn từ biến áp là 9,5V và 19V Tính chọn máy biến áp: Theo trên ta cần các nguồn điện áp là: 5V, 12V,24V mà điện áp lưới là 220V vì vậy cần phải thiết kế máy biến áp để thực hiện nhiệm vụ hạ áp cho bộ nguồn và giúp cách ly giữa điện áp lưới với điện áp mạch điều khiển Từ thông số động cơ truyền động: P = 25W Uđm = 24V Ta có được Iđm = P/ Uđm = 25/ 24 = 1,042 (A) Biến áp cấp nguồn cho mạch lực và cho mạch điều khiển có thể sử dụng chung một cuộn sơ cấp. Do đó ta thiết kế máy biến áp với một cuộn sơ cấp và các cuộn thứ cấp: Cuộn +24V và – 24V lấy một đầu ra trung tính cấp điện áp cho mạch lực có công suất P21 xấp xỉ công suất của động cơ 25W Cuộn thứ cấp quấn 15V qua cầu chỉnh lưu điot 5A lấy nguồn làm nguồn nuôi cho rơ le, sơ cấp của cách li quang, biến trở VR, điện áp Uđk. Công suất cuộn 15V là P22 = 15. 1,042 = 15,63 (W) Điện áp Uđk là tín hiệu điều chế độ rộng xung nên cần độ chính xác cao, để nâng cao độ bằng phẳng điện áp ta sử dụng IC 7805, tụ hóa C2 = 2200 µF lọc nguồn trước ổn áp, tụ C3 = 10µF lọc nguồn sau ổn áp. Cuộn thứ cấp 5V cấp nguồn cho IC logic P23 = 5.0,5 = 2,5(W) Tông công suất máy biến áp nguồn: P = 2P21 + P22 + P23 = 2.225 + 15,63 + 2,5 = 68,13(W) Dòng sơ cấp máy biến áp: I1 = P/U = 68,13/ 220 = 3,41 (A) Tiết diện lõi thép mạch từ: S = k Như vậy ta chọn lõi thép có tiết diện S = 10 cm2 làm bằng thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm gồm các lá hình chữ E và chữ I ghép lại với nhau. Theo công thức kinh nghiệm số vòng/ vôn: n0 = k/ s với k là hệ số máy biến áp lấy từ 40 – 60 Chọn hệ số máy biến áp k = 50 ta có: n0 = 50/ 9,91 = 5,04 vòng/ vôn Số vòng cuộn dây sơ cấp cần cuốn là: W1 = n0 .2U1= 5,5.2,24 = 264 (vòng) W2 = n0 . U2 = 5,5.12 = 66 (vòng) W2 = n0 . U3 = 5,5 .5 = 27,5 (vòng) ~ 220V 24V - 24V C1 5V C1 C2 7805 12V GND Hình 3.24. Sơ đồ máy biến áp - Lõi biến áp hình chữ E Hình 3.25. Lõi biến áp 3.3.2.7. Tính chọn Điốt mạch chỉnh lưu. - Mạch chỉnh lưu thiết kế theo sơ đồ một pha nên ta có điện áp ngược lớn nhất mà mỗi Điốt phải chịu là: Ung max = U.= 24.1,41 = 33,9(V) - Dòng qua điốt chính là dòng tải, do điốt mắc nối tiếp tải. Ta có dòng cực đại chạy qua van: Imax = 1,042 → Chọn Điốt loại 1N4007 chịu được Imax = 5A, Ungmax = 40V 3.3.2.8. Tính chọn Transitor: - Dòng lớn nhất mà cực Bazo phải chịu: Ib = 20 (mA) - Dòng nhỏ nhất mà cực Bazo phải chịu: Ib = 1,042 (mA) - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 cực Emiter và Colecter: Ucemax = 60 (V) Từ thông số trên, ta chọn Transitor loại H1061 với các thông số như sau: Ic = 1,5 (A) IBmax = 0,02 (A) UCemax = 60 (V) 3.3.2.9. Tín chọn IC ổn áp. IC 78xx: IC ổn áp Với những mạch điện không đòi hỏi đòi hỏi độ ổn định của điện áp qua cao, sử dụng Ic ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vi mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp thường được sử dụng là Ic 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví dụ 7805 ổn áp là 5V, 7812 ổn áp 12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau. IC 7805 có ba chân. Chân số 1 là chân IN. Chân số 2 là chân GND Chân số 3 là chân OUT. Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi. Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi. Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 1,5V đến 2V. Mạch điện đóng vai trò ổn định và chống nhiễu cho nguồn CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC 4.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 200 4.1.1. Giới thiệu về họ PLC. 4.1.1.1.PLC (Program Mable Logic Controler – Bộ điều khiển logic khả trình ). PLC là một loại thiết bị chuyên dụng được tích hợp sẵn, có cấu trúc giống như một máy tính số bao gồm CPU, bộ nhớ ROM, RAM dùng để nhớ chương trình ứng dụng và các đầu Vào/Ra – Input/ Output . PLC là một thiết bị lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình. CPU ROM RAM INP OUT Bộ đệm vào vvvavào Bộ đệm ra Hình 4.1. Cấu trúc PLC 4.1.1.2. Vị trí của PLC trong hệ thống điều khiển. Hệ điều khiển truyền thống. Nót Ên C«ng t¾c CT hanh trinh C¶m biÕn Rele TIM Re le Tgian Bé ®Õm CNT >= So s¸nh B¶n m¹ch ®iÖn tö §«ng c¬ Van Gia nhiÖt Hình 4.2.Các khối trong hệ điều khiển truyền thống Khối đầu vào. Gồm các nút điều khiển Các công tắc Các công tắc hành trình đặt tại máy Các cảm biến đo lường đặt tại dây truyền sản xuất. Khối điều khiển gồm các phần tử . Các loại rơ le Các bộ đếm thời gian Các bộ đếm Các bộ so sánh Các bản mạch điện tử Khối đầu ra gồm Các loại động cơ Các loại van Các thiết bị gia nhiệt Các thiết bị chỉ thị… Hệ điều khiển dùng PLC. Bộ điều khiển bằng PLC Nút ấn Công tắc Công tắc hành trình Cảm biến Động cơ Van Gia nhiệt Heater Hiển thị Chương trình ứng dụng Khối đầu vào Khối điều khiển Khối đầu ra Hình 4.3. Hệ điều khiển dùng PLC Khối đầu vào tương tự hệ điều khiển truyền thống. Khối đầu ra tương tự hệ điều khiển truyền thống. Khối điều khiển được thay bằng thiết bị điều khiển PLC kèm theo đó là một chương trình ứng dụng, được lập trình dưới dạng giản đồ thang như hình vẽ. 4 .1.1.3. Khả năng của PLC. a. Điều khiển Logic. Chức năng điều khiển rơ le. Thời gian đếm Thay cho các Panel điều khiển và các mạch in Điều khiển tự động, bán tự động,bằng tay các máy và các quá trình. b. Điều khiển liên tục. Thực hiện các phép toán số học và logic. Điều khiển liên tục nhiệt độ áp suất lưu lượng… Điều khiển PID, FUZY. Điều khiển động cơ chấp hành,động cơ bước Điều khiển biến tần… Khối đầu vào thêm các khâu cảm biến Tương tự (Analog);chiết áp,… Khối đầu ra có thêm các thiết bị tương tự như biến tần, động cơ SERVO, động cơ bước… Khối điều khiển thêm các khâu biến đổi A/D, D/A… c. Điều khiển tổng thể. Điều hành quá trình và báo động. Ghép nối máy tính Ghép nối mạng tự động hoá Điều khiển tổng thể quá trình – nghĩa là điều khiển một quá trình trong mối liên hệ với các quá trình khác. Tín hiệu vào và ra còn có thêm thông tin. 4.1.1.4. Các ưu điểm khi sử dụng PLC. - Thời gian lắp đặt công trình ngắn hơn. - Dễ thay đổi mà không gây tổn thất - Có thể tính chính xác được giá thành - Dế thay đổi thiết kế nhờ phần mềm - Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rrọng - Dễ bảo trì bảo hành nhờ: Khả năng tín hiệu hoá Khả năng lưư giữ mã lỗi Khả năng truyền thông - Độ tin cậy cao - Chuẩn hoá được thiết bị - Thích ứng được môi trường khắc nghiệt: Nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động… 4.1.2. Một số loại PLC và modul PLC. 4.1.2.1:Một số loại PLC của SIEMENS. Hình 4.4. PLC S7- 200 Hình 4.5. Kết nối PLC S7 – 200 với máy tính Hình 4.6. PLC S7 – 212 Hình 4.7. PLC S7 – 215 và S7 – 216 Hình 5.8. Ghép nối cho modul mở rộng Hình 4.8. Ghép nối mạng PLC 4.1.3. Hệ SIMATIC S7 – 200 . Simatic S7 – 200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều loại ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử 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 cổng ra Có 256 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau : 8 timer 1ms, 32 timer 10ms, 208 timer 100ms. Các chế độ ngắt và xử lý 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 190h khi PLC mất nguồn nuôi. Có 368 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và chế độ làm việc. Dải tín hiệu vào từ 15 đến 30 V điện áp một chiều 4mA Có cách ly quang 500 VAC 1 phút. Trong mô hình cửa tự động ta sử dụng PLC S7 – 200 CPU222, modul 212 – 1BB23 – OXBO. Hình 4.9. PLC dùng trong mô hình của tự động 4.1.3.1: Cấu trúc chương trình của S7 – 200 . Có thể lập trình cho plc S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm sau: STEP7- Micro/ DOS. STEP7 – Micro/ WIN. Các chươngh trình cho S7 -200 phải có cấu trúc chương trình chính và sau đó đến các chương trình con và chương trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây: Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND). Chương trình con là một bộ phận của chương trình, các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chươnh trình chính đó là lệnh MEND. Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràng và 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. Ta sử dụng phần mềm STEP7 – Micro để lập trình. 4.1.3.2. Các vùng nhớ S7 – 200. Trong S7 – 200 có các vùng nhớ sau: I: Input, các ngõ vào số. Q: Output, các ngõ ra số. M: Internal Memory, vùng nhớ nội. V: Variable Memory, vùng nhớ biến. AIW: Analog Input, ngõ vào analog. AQW: Analog Output, ngõ ra analog. T: Timer. C: Counter. AC: Con trỏ địa chỉ. 4.2. LẬP TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG. Với những tiện ích của thiết bị khả trình PLC đem lại, nó đã được ứng dụng để điều khiển cửa tự động trong mô hình. 4.2.1. Các bước lập trình. - Tìm hiểu công nghệ. - Liệt kê các đầu vào/ ra và chọn PLC. - Phân cổng vào/ ra cho PLC theo : trình tự tác động, theo tên gọi, theo tên ưu tiên các tín hiệu bị động. - Dựng lưu đồ cho chương trình. - Dịch lưu đồ sang giản đồ thang. - Lập trình giản đồ thang PLC. - Chạy mô phỏng kiểm tra chương trình. - Nối PLC với thiết bị thực. - Kiểm tra sửa lỗi. - Chạy thử nghiệm. 4.2.2. Quá trình thực hiện. 4.2.2.1. Lập trình cho thiết bị cảm biến. a. Yêu cầu công nghệ. - Sử dụng PLC điều khiển cửa thông qua việc tổng hợp tín hiệu từ thiết bị cảm biến và Encoder. Đối với cảm biến vị trí: Khi có điện động cơ sẽ mở cửa với tốc độ chậm. Khi gặp Kh1động cơ sẽ dừng, chờ một khoảng thời gian nếu không có người thì cửa sẽ đóng lại với tốc độ chậm. Khi hết hành trình đóng động cơ sẽ ngắt, cửa dừng ở trạng thái đóng. Khi có người cửa sẽ mở với tốc độ nhanh, đến khi gặp Kh2 thì động cơ mở chậm. Động cơ sẽ mở chậm đến khi gặp Kh1 thì dừng chở một khoảng thời gian mà không có người thì động cơ sẽ đóng. Khi bắt đầu đóng động cơ đóng nhanh, khi gặp Kh3 thì động cơ đóng chậm, động cơ sẽ đóng chậm đến khi bằng thời gian đặt trước thì dừng động cơ kết thúc một quá trình. Đối với Encoder. - Khi có điện động cơ sẽ mở cửa với tốc độ chậm. Khi gặp Kh1 động cơ sẽ dừng chờ một khoảng thời gian nếu không có người thì cửa sẽ đóng lại với tốc độ chậm. Khi hết hành trình động cơ sẽ ngắt, cửa dừng ở trạng thái đóng. Khi có người cửa sẽ mở với tốc độ nhanh, khi đếm đủ số xung đặt trước động cơ sẽ mở chậm, khi đủ số xung mở chậm động cơ sẽ dừng lại chở một thời gian mà không có người thì động cơ sẽ đóng. Khi bắt đầu đóng động cơ đóng nhanh, khi đếm số xung đặt trước động cơ đóng chậm. Nếu thời gian đóng đủ số xung đặt trước động cơ dừng lại kết thúc một quá trình. b. Phân cổng vào ra cho PLC. - Đầu vào. I0.1. Tín hiệu cảm biến người. I0.2. Tín hiệu cảm biến ngừoi I0.3. Tín hiệu xung hành trình. I0.4. Đóng cưỡng bức I0.5. KH1. Đầu ra. Q0.0: Cho phép mở cửa Q0.1: Cho phép đóng cửa Q0.2: Cho phép mở cửa nhanh Q0.4: Cho phép cửa đóng nhanh. Q0.5: Cho phép cửa đóng mở chậm. c. Lưu đồ chương trình. Hình 4.10. Lưu đồ cảm biến Hình 4.11. Lưu đồ Emcoder d. Dịch lưu đồ sang giản đồ thang. KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ VỀ ĐỒ ÁN Đồ án “Tìm hiểu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động” là một đồ án mang tính khoa học và tổng hợp. Nó không chỉ dừng lại ở việc xây dựng lý thuyết và tìm hiểu về công nghệ cửa đóng mở tự động mà còn thiết kế được một mô hình cửa tự động có khả năng hoạt động như cửa thật với thiết kế mở giúp người thực hành có thể tự thao tác viết chương trình điều khiển, ghép nối giữa các phần mô hình, giữa mô hình với modul PLC để từ đó thực hiện điều khiển trên mô hình cửa đóng mở tự động. Đồ án giúp mang lại cái nhìn rõ nét hơn về công nghệ cửa đóng mở tự động, giúp người học hiểu rõ về cấu tạo bên trong, các thiết bị, linh kiện cấu thành, nguyên lý hoạt động của cửa đống mở tự động góp phần nâng cao khả năng thực tế của người học cũng như làm tăng thêm tính sinh động cho hoạt động học tập, nghiên cứu. Tuy nhiên, do đây chỉ là một đồ án “Tìm hiểu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động” chứ không đi sâu vào việc chế tạo mô hình nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Hơn nữa mô hình mới chỉ được dừng lại ở việc tìm hiểu thiết kế trên lý thuyết vì vậy sinh viên vẫn chửa thể hiểu hết về những sai sót trong quá trình chế tạo. Những người thực hiện đồ án mong rằng, bản đồ án thiết kế sẽ là một công cụ hữu ích cho các bạn sinh viên thực hiện việc chế tạo mô hình cửa tự động. Đồng thời, thông qua quá trình chế tạo và sử dụng mô hình phục vụ cho hoạt động học tập nghiên cứu, bản thiết kế sẽ được cải tiến khắc phục những thiếu sót, hạn chế. Để có thể mạng lại hiệu quả hoạt động tốt hơn góp phaanfthieets thực vào việc cải thiện công tác giảng dạy và học tập bộ môn Tự động hóa trong các nhà trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Gia Hanh, Trần khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện 1 và 2 – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2003 2. Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn Khí cụ điện – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2004 3. Phan Cuốc Phô, Nguyễn Đức Chiến Giáo trình cảm biến – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2000 4. Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử – Nhà xuất Bản Giáo Dục – 2005 5. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn Văn Liễn Truyền động điện – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2006 6. Nguyễn Quang Hùng, Trần Ngọc Bình 7. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật 8. Trịnh Đình Để, Võ Trí An Điều khiển tự động truyền động điện – NXB Đại Học và Trung Học Chuyên Nghiệp 9. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN