Phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 1

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN






Đề Tài:
Phân tích và xây dựng hệ
thống đo và điều khiển tốc độ
động cơ



Giáo Viên Bộ Môn : Hà Văn Phương
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 2



Nhóm 3 –Lớp TĐH
2

K5

Sinh viên thực hành:
1Nguyễn Hồng Hải
2Nghiêm Thị Hằng
3Dương Xuân Hiếu
4Hoàng Văn Hiếu
5Nguyễn Thanh Hiếu(NT)
6Ninh Đắc Huân
7Lê Bá Hùng
8Lê Đình Hùng
9Ngô Quang Hưng
10Cao Xuân Hướng
11Nguyễn Văn Huy




Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 3

Lời nói đầu

Trong các ngành công nghiêp, công tác điều khiển vận hành các thiết bị
theo một quy trình nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, nâng cao chất lượng sản
phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ một vị trí quan trọng.
Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao
nên động cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một
số máy như máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển
các robot…

Để đo tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp,
trong bài tập lớn của mình chúng em xin trình bày đo tốc độ động cơ dùng
encoder- một loại cảm biến dùng để đo số vòng quay của động cơ và gửi về vi
điều khiển để trực tiếp điều khiển tốc độ động cơ theo ý muốn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã giúp
đỡ chúng em và thầy Hà Văn Phương đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng
em làm bài tập lớn
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm bài tập lớn,
chưa có nhiều kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều sai sót trong cách trình bày
cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy, cô và các bạn góp ý và
bổ sung thêm.

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 4


Chúng em xin chân thành cảm ơn.


Mục Lục
Phần 1:Phân tích công nghệ
Phần 2: Cấu trúc hệ thống
I Sơ đồ khối hệ thống
II Các thiết bị cần dùng
A Khối cảm biến
1 Máy phát tốc
2 Encoder
B Khối xử lí
C Khối hiển thị

III Các thiết bị khác
A Optocouplers
B Động cơ điện một chiều
C Rơ le trung gian
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 5

Phần 3: Sơ đồ nguyên lí & kết luận…


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________

_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
_____________________________________________________
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 6

Phần 1: Phân tích công nghệ

Như chúng ta đã biết trong điều kiện khoa học kỹ
thuật và kinh tế phát triển như hiện nay thi quy trình tự
động hóa trong công nghiệp và sản xuất hầu như không
thể thiếu được . Nó đóng một vai trò hết sức quan trọng
trong việc giúp tăng năng suất , tăng độ chính xác và do
đó tăng hiệu quả sản xuất . Trong đó một vai trò không
thể không nhắc đến của qui trình tự động hóa là :”Đo và
điều khiển tốc độ động cơ”

Quy trình này gồm 2 phần đó là:”Đo” và “Điều
khiển”.Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại linh kiện
khác nhau ứng dụng cho việc đo và điều khiển động cơ
nhưng chủ yếu phần đo vẫn là sử dụng máy phát tốc và
encorder và điều khiển dùng vi điều khiển hoặc dùng IC
số. Với các loại linh kiện khác nhau thì chúng có ưu,
nhược điểm, giá thành khác nhau
Công nghệ sử dụng máy phát xung với độ chính xác

hơi kém vì bị ảnh hưởng nhiều bởi sai số của thiết bị đo,
điện trở dây dẫn… được sử dụng trong các thiết bị đo
không đòi hỏi độ chính xác cao như đo tốc độ xe máy, xe
đạp điện… Bên cạnh đó là cảm biến encoder với giá
thành cao được sử dụng trong công nghiệp với độ chính
xác cao


Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 7

Phần 2:


I:Sơ đồ khối hệ thống













Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống

Bộ
XLTH
Bộ
Điều khiển


Motor
Bộ đo
lường
Bộ
nhập dữ liệu

Bộ
hiển thị
Bộ
Nguồn
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 8

Chức năng của các bộ phận trong sơ đồ hệ
thống
1, Bộ đo lường
Bộ đo lường có tác dụng chuyển tín hiệu của tốc độ
động cơ ở dạng không phải điện về dạng điện, có điện áp
hoặc tần số … tỉ lệ với tốc độ động cơ.
2, Bộ xử lí tín hiệu
Bộ xử lý tín hiệu có tác dụng:
- Thu nhận các tín hiệu phản hồi.

-Tiếp nhận các tín hiệu từ người điều khiển.
-So sánh tín hiệu chuẩn đó với tín hiệu được đưa
vào của bộ đo lường.
-Đưa ra các tín hiệu cho bộ biến đổi năng lượng cấp
cho động cơ.
- Đưa tín hiệu hiển thị ra LCD hoặc LED 7 thanh.
3,Bộ biến đổi
Bộ biến đổi có tác dụng thay đổi các giá trị của
nguồn để cấp cho động cơ như điện áp, dòng diện,tần
số…dưới sự chỉ huy của bộ xử lý.
4, Bộ nhập dữ liệu

Bộ nhập dữ liệu bao gồm bàn phím,công tắc, các nút
ấn,… hoặc hệ thống mạng công nghiệp,máy tính để con
người có thể giao tiếp với hệ thống.
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 9

5,Bộ hiển thị
Là bộ phận hiển thị các thông số trên hệ thống có thể
là LCD ,LED hoăc màn hình CRT.
6,Motor là động cơ cần điều khiển
7, Bộ nguồn
Bộ nguồn có tác dụng cung cấp điện áp cho bộ điều
khiển, bộ xử lí, bộ hiển thị,…điện áp cấp vào có thể là 1
pha,1 chiều, 3 pha,…

II: Các thiết bị cần dùng
A; Khối đo lường (cảm biến)

Hiện nay có 2 loại cảm biến thông dụng dùng để đo
tốc độ động cơ là máy phát tốc và encoder với những ứng
dụng khác nhau.
1. Máy phát tốc
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 10


Hình 2: Máy phát tốc

II. Encoder


Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 11


Hình 3 :Encoder

I. Máy phát tốc
Nguyên lý hoạt động :Hoạt động dựa trên hiện tượng
cảm ứng điện từ. Cấu tạo gồm 2 phần: phần cảm và phần
ứng. Khi có sự chuyển động tương đối giữa phần cảm và
phần ứng thì trong phần ứng sẽ xuất hiện suất điện động
tỉ lệ với tốc độ quay:
dt
d
e



Dựa vào tín hiệu ra người ta chia ra làm hai loại: máy
phát tốc một chiều và máy phát tốc xoay chiều.
1, Máy phát tốc một chiều


Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 12


Hình 4: Sơ đồ máy phát tốc 1 chiều.
1, Stator. 2, Rotor. 3, Cổ góp. 4, Chổi quét.



Thực chất đây là một máy phát điện một chiều loại
nhỏ
2, máy phát tốc xoay chiều
a.máy phát tốc xoay chiều đồng bộ
Là một loại máy phát xoay chiều đồng bộ loại nhỏ.
Rotor của máy là một hoặc nhiều nam châm điện.
Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành dòng điện
một chiều. Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay
và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. Tốc độ quay của
động cơ có thể xác định bằng cách đo tần số do tần số
không bị suy giảm khi truyền tải đi xa.

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 13


Hình 5: Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc xoay chiều.

b.Máy phát tốc xoay chiều không đồng bộ



Hình 6:
1, Cuộn kích. 2, Rotor. 3, Cuộn đo.

Cấu tạo của máy pha

2: Encoder
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 14


Các hình dạng thực tế của encoder:
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 15

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 16

1,Khái quát về encoder:
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một
đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc
bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.

Encoder được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối và
encoder tương đối.
Encoder tuyệt đối: tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng
vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng
biết chính xác vị trí của encoder.

Còn encoder tương đối, là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc
tối đa là 3 vòng lỗ. Nếu bây giờ ta đục một lỗ trên một cái
đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng khối điều khiển
sẽ nhận được tín hiệu, và chúng ta đã biết đĩa quay một
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 17

vòng. Nếu có nhiều lỗ hơn ta sẽ có được thông tin chi tiết
hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng, hoặc 1/n
vòng, tùy theo số lỗ nằm trên encoder tương đối.

Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết
bị đo đếm lên 1. Do vậy, encoder loại này có tên encoder
tương đối (encoder tăng lên 1 đơn vị).

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay,
quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng
một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không
có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có
lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt
bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín
hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi
nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 18

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ
mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có
nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.

Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder
Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động
encoder.



Trong hình có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố
định để che khe hẹp ánh sáng đi qua.
2, Hoạt động của encoder
a.Encoder tuyệt đối
Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01,

10, 11: tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ
số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng
nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính
xác đến 1/4 vòng.

Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta
sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2
n
) vòng.
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 19




Với đĩa encoder có 2 vòng đĩa.Ở vòng trong cùng, có một
rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh
nằm đối diện nhau.

Như vậy, chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2
vòng lỗ, và 2 đèn thu.

Sau đây là ví dụ encoder tuyệt đối 8 vòng lỗ:

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 20

Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit
thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có
nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180 độ, nằm trong cùng.
Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân)
sẽ thay đổi liên tục mỗi 1/(2)
N
vòng quay. Vì thế, chúng ta
cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ
được, vì ở trong bán kính nhỏ hơn. Ngoài ra, nếu đặt ở
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 21

trong, thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục, và quá nhiều
lỗ, sẽ rất yếu. Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoài
cùng, và bit N-1 luôn đặt trong cùng như hình trên.
Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta
sẽ quản lý được đến 1/(2)
10
tức là đến 1/1024 vòng.
b.Encoder tương đối
Encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc
quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng. Khi đó,
việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người
dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được
vị trí góc của trục quay.

Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không
có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng
quay của trục.

Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá
nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của
encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là
không thể thực hiện được. Chưa kể rằng việc thiết kế một
dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến
kích thước giới hạn này.
Độ chính xác của encoder 12 bit đã là 1/4096
Tuy nhiên, điều này được khắc phục bằng encoder tương
đối một cách khá đơn giản. Chính vì vậy, ngày nay, đa số
người ta sử dụng encoder tương đối trong những ứng
dụng hiện đại.

* Hoạt động của encoder tương đối

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 22

Encoder tương đối, sẽ tăng 1 đơn vị khi một lần lên
xuống của cạnh xung.



Cứ mỗi lần quay qua 1 lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị
trong biến đếm.

Mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý
được, encoder sẽ bị sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động
lâu dài, sai số này sẽ tích lũy, ngày hôm nay sai một xung,
ngày hôm sau sai một xung. Đến cuối cùng, có thể động
cơ quay 2 vòng rồi encoder mới đếm được 1 vòng.

Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm
một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder.

Như vậy, cho dù có lệch xung, encoder đi ngang qua lỗ
định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở
đâu đó. Nếu vì một rung động nào đó, mà chúng ta không
thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc
đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của
encoder.

Đây là hình encoder có lỗ định vị:


Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 23


Vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau.
Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và
ngược lại.

Tuy nhiên, thay vì làm 2 vòng encoder, và dùng 2 đèn
LED đặt thẳng hàng, thì người ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và

đặt hai đèn LED lệch nhau.




Đây là dạng encoder phổ biến nhất hiện nay.
Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 24




Hình trên là hình xung encoder tương đối.

Khi xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà lúc đó
xung B đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định được
chiều chuyển động của encoder theo chiều mũi tên màu
cam.

Nếu xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà xung
B đang ở mức cao, thì chúng ta sẽ biết encoder đang
quay theo chiều màu nâu.

B; Khối xử lí

Nhóm 3 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN

Bài tập lớn môn Đo lường và cảm biến Page 25

Hình 7:Một số vi xử lí



C: LCD

1, Hình dáng
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích
thước khác nhau, trên hình 1 là loại LCD thông
dụng.