Thiết kế mô hình cửa tự động

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, thời kỳ công nghiệp hóa
hiện đại hóa, thời kỳ hội nhập quốc tế cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các
ngành kỹ thuật điện tử, ngành công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển, ngành tự
động hóa cũng đã đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hóa không những
1

giúp giảm nhẹ sức lao động, thay thế con người mà còn góp phần nâng cao năng
suất, chất lượng sản phẩm., đồng thời tạo nên một xã hội ngày càng văn minh, hiện
đại hơn. Chính vì thế mà tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như
vai trò quan trọng của mình trong các ngành công nghiệp hiện nay.
Sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích thiết thực phục vụ
cho đời sống hằng ngày của con người. Một minh chứng rõ nét chính là sự ra đời
của những chiếc cửa tự động với nhiều tính năng và tiện dụng hơn. Cửa tự động ra
đời đã thay thế những chiếc cửa cũ thông thường bằng sự thông minh tự động đóng
mở, nâng cao khả năng bảo vệ và tính thẩm mỹ cho từng ngôi nhà, từng công trình
kiến trúc.
Sự ưu việt của của những chiếc cửa tự động cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ, luôn đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu, cải tiến hơn nữa để cho ra
đời những chiếc cửa tự động hiện đại, đa năng hơn phục vụ tốt nhất cho cuộc sống
của con người. Do đó, chúng em đã nhận đề tài: “Thiết kế mô hình cửa tự động”.
Chúng em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Ngô Văn Tâm cùng các
thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện Tử thuộc trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã
giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Do kiến thức, tài liệu còn hạn chế, kinh
nghiệm thực tế còn chưa tốt nên đề tài của chúng em không tránh khỏi những sai sót
nhất định.
Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các quý thầy, cô
giáo để em có thể rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn cho bản thân cũng như cho
đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày…..tháng….. năm…..
Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Tuấn Hưng

2

Tạ Xuân Hùng
Nguyễn Văn Hiệu
Nguyễn Văn Đoàn
Lớp : Cơ Điện Tử 3 – k12

CHƯƠNG I :

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu đề tài :
Ai cũng có thể nhận ra lợi thế của những cánh cửa trượt trong thiết kế không
gian sinh hoạt đô thị ngày nay. Đầu tiên là việc tiết kiệm diện tích. Sau nữa là vẻ
thanh lịch mà thiết kế này mang đến cho từng không gian.

3


Kết hợp với những hỗ trợ về kỹ thuật tiên tiến như bánh xe, hệ thống ray trượt
cao cấp, thậm chí cả điều khiển tự động vận hành bằng hệ thống điều khiển từ
xa hay mắt điện tử thông minh, những cánh cửa trượt càng trở nên phổ biến và
được sử dụng rộng rãi.
Những cánh cửa trượt hiện đại không chỉ làm bằng chất liệu gỗ truyền thống
mà còn được thiết kế với khung kim loại cao cấp hay nhựa tổng hợp tạo ra sản
phẩm nhẹ và bền hơn. Do đó, cửa trượt có thể sử dụng ở rất nhiều nơi trong
không gian nội thất, từ phòng khách đến phòng ngủ, cả buồng tắm, nhà
bếp .....và cả những nơi như cơ quan, công sở.

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. Vì khi sử dụng cửa tự
động người dùng hoàn toàn không phải tác động trực tiếp lên cánh cửa mà cửa vẫn
tự động mở theo ý muốn của mình.
Với tính năng này, cửa tự động mang lại thuận lợi lớn cho người sử dụng như :
Nếu người dùng đang bê vác vật gì đó thì cửa tự động không những chỉ mang lại
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 đỡ
tốn thời gian 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, hệ thống máy lạnh hiện nay được sử dụng khá rộng rãi ở những nơi
công sở, công cộng. Nếu ta dùng loại cửa bình thường thì phải đảm bảo cho cửa
luôn đóng khi không có 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

4


ở nơi công cộng là rất khác nhau. Do đó, cửa tự động với tính chất luôn đóng khi
không có người qua lại đã đáp ứng tốt yêu cầu này.
Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta phải phát triển ứng
dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiêm cứu và cải tiến nâng cao chất lượng hoạt
động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại hơn, tiện ích hơn. Để nghiêm 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 động, hình dáng, cấu tạo của cửa tự động. Từ mô
hình này có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động của cửa tự động, cũng như có thể
lường trước khó khăn có thể gặp phải khi chế tạo cửa tự động trên thực tế. Cũng từ

mô hình này có thể thấy được ưu nhược điểm của thiết kế và từ đó khắc phục
những hạn chế, phát huy thế mạnh thiết kế cánh cửa ưu việt hơn hoàn thiện hơn
cho con người.

1.2 Các vấn đề đặt ra :
Cửa tự động được bán trên thị trường đã đạt độ hoàn thiện trong kết cấu cũng
như trong tính năng. Nhưng đó là những chiếc cửa được phát triển bởi những công
ty đã có kinh nghiệm trong việc chế tạo những sản phẩm dạng này. Với một đề tài
việc thiết kế và chế tạo mô hình chiếc cửa, nhóm gặp nhiều vấn đề cần giải quyết:
Trước tiên là công nghệ dùng để nhận biết khi có người tới .
Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần
được điều khiển chính xác.
- Cửa phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao.
Phương pháp điều khiển gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo
điều khiển cho máy hoạt động được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy
ra khi máy hoạt động.
- Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm
bảo cho cửa chạy tốt, không bị kẹt trong quá trình hoạt động.

1.3 Phương pháp nghiên cứu :

5


-

-

Cửa tự động là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và là một sản
phẩm cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp

nghiên cứu sau:
Nghiên cứu mô hình của các chiếc cửa tự động đã có sẵn trên thị trường, kết cấu,
giao diện, tính năng của những chiếc cửa đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới
hạn đề tài.
Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế cửa, cụ thể là:
+ Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời.
+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoàn
thiện thiết kế trước khi chế tạo.
+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc
chưa được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện. Sau
cùng, chế tạo thật mô hình máy.

1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:
Với giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết nhóm chỉ chế tạo cửa tự động
với những tính năng sau :
- Nhận Biết khi có người tới .
- Tự động mở cửa khi có người đi vào và tự động đóng cửa khi không có người
- Cửa không bị kẹt .
- Cửa dùng 1 công tắc hành trình để điều khiển.
-Máy chỉ dùng một vi điều khiển 8 bit để điều khiển.
-Cửa được chế tạo bằng vật liệu đơn giản.

CHƯƠNG II :

2.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Giới thiệu đề tài từng phần :

2.1.1 Motor:
6


Được thiết kế và sản xuất tại Nhật, đây là loại motor điện một chiều không sử
dụng chổi than cho phép cửa hoạt động với tần suất cao mà không bị nóng. Với
moment xoắn lớn cộng với hệ thống gá được chế tạo đặc biệt giúp cho sự vận hành
của cửa hết sức nhẹ nhàng không bị rung. Tải trọng tối đa cho 2 cánh cửa lên tới
240 kg hoặc 150 kg cho cửa một cánh.

Hình 2.1. Bộ điều khiển và giá đỡ của cửa trượt tự động

Hình 2.2. Bộ điều khiển trung tâm và ray.

2.1.2 Bộ điều khiển :
Lập trình hệ thống cho phép đảm bảo nhiều chức năng đóng – mở, có thể kết
kết hợp với các thiết bị khác như đầu đọc thẻ, khóa điện, sesonr an toàn đảm bảo
độ an toàn và an ninh cao. Trong khi cửa đang mở hoặc đóng, nếu gặp chướng ngại
vật cửa sẽ dừng lại, đổi chiều và sau đó sẽ từ từ đóng lại hoặc mở ra. Nếu sau ba
7


lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên ở vị trí mở và hoạt động trở lại khi có tín hiệu
từ mắt thần cảm biến.

2.1.3 Mắt cảm biến :
Cho phép cửa có tầm quét xa , nhạy và liên tục. Giúp cho cửa giữ nguyên mở
nếu có người hoặc vật cản nằm trong vùng hoạt động của cửa.

2.1.4 Hộp kỹ thuật :

Được chế tạo từ hợp kim nhôm với độ cứng cao giúp cho khung cửa chắc khỏe
và đặc biệt không bị mài mòn trong quá trình sử dụng .

2.1.5 Hệ thống bảo vệ cách nhiệt tiêu chuẩn.
Ngăn ngừa việc phá hỏng bộ điều khiển và motor. Khi tải vượt quá mức, tín
hiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh giảm tốc độ cũng
như thời gian vận hành xuống và cửa vẫn hoạt động ở cường độ thấp . Nếu không
tiếp tục có sự quá tải , cửa sẽ trở lại hoạt động bình thường, tốc độ hoạt động của
cửa lại được phục hồi. Tuy nhiên, khi quá tải lại tiếp tục xảy ra, cửa sẽ dừng hoạt
động để bảo vệ động cơ .

2.1.6 Chế độ làm việc.
•

Tự động : Cửa tự động đóng khi không có người, mở khi có người qua lại.

•

Mở thường trực : Cửa lúc nào cũng mở .

•

Mở một chiều : Dành cho các cửa hàng , siêu thị . Ở chế độ này chỉ cho phép
người di qua một chiều nhất định (đi ra hoặc đi vào) .

•

Chế độ đóng cửa vào ban đêm và mở cửa lại vào sáng hôm sau : Cho phép
đặt chế độ đóng cửa vào ban đêm, và mở cửa lại vào sáng hôm sau. Giờ
đóng, mở cửa do người điều khiển tự cài đặt. Ngoài ra còn có chế độ khóa

cửa theo yêu cầu sử dụng , khi đó hệ truyền động bị khóa nên người khác
không thể mở cửa.

2.2

GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG :
8


THIẾT BỊ CẢM BIẾN :

2.2.1

Cảm biến là thiết bị điện tử tiếp nhận thông tin thay đổi từ môi trường bên
ngoài và biến đổi thành các đại lượng điện để điều khiển các thiết bị khác. Tín hiệu
ra của cảm biến là dạng điện áp, dòng điện hoặc điện tích. Cảm biến là một trong
ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường,
kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác. Cảm biến thường dùng ở
khâu đo lường và kiểm tra.
Cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, hệ thống điều khiển,
tự động hóa hay robot...
Tìm hiểu một số loại cảm biến thông dụng:
1.

Cảm biến tiếp cân :
Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc

không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. Các
cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay thay đổi điện dung của

phần tử mạch điện đơn giản, không đòi hỏi tiếp xúc cơ học. Tuy nhiên cảm biến
này có hạn chế về tầm hoạt động với khoảng cách tối đa là 100m. Các kỹ thuật tiếp
cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và được sử
dụng rộng rãi trong thực tế.
2.

Cảm biến tiếp cận điện cảm :
Một bộ cảm biến tiếp cận điện cảm gồm 4 khối chính: cuộn dây và lõi ferit,

mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra.
Mạch dao động phát dao động điện từ công suất radio. Từ trường biến thiên
tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối
tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucault cảm ứng trên mặt đối tượng tạo nên một tải
9


làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ sự thay đổi trạng thái biên độ
mạch dao động. Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến, biên độ mạch dao
động tăng lên trên giá trị ngưỡng và bộ phát hiện trở về vị trí bình thường. Phạm vi
của cảm biến tiếp cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt cảm biến
và đối tượng, liên quan đến hình dáng của lõi và dây quấn.
3. Cảm biến tiếp cận điện dung :
Trong cảm biến tiếp cận điện dung, sự có mặt của đối tượng làm thay đối điện
dung C của các bản cực. Cảm biến tiếp cận điện dung cũng gồm bốn bộ phận chính
là cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra.
Tuy nhiên cảm biến tiếp cận điện dung không đòi hỏi đối tượng là kim loại.
Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại; thuỷ tinh, nhựa. Tốc
độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối tượng có kích thước nhỏ,
phạm vi cảm nhận lớn.
Hạn chế chủ yếu của cảm biến điện dung là chịu ảnh hưởng của độ ẩm và bụi.

Cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm
biến tiếp cận điện cảm. Để có thể bù ảnh hưởng của môi trường và đối tượng, cảm
biến tiếp cận điện dung thường có một chiết áp điều chỉnh.
4.

Cảm biến tiếp cận quang học :
Là các cảm biến tiếp cận sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng

cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. Người ta thường bố trí
cảm biến quang học như dưới đây.
a). Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát :
Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia.
•

Ưu điểm:
+ Cự ly cảm nhận xa.
+Có khả năng thu được tín hiệu mạnh.

10


VËt thÓ
§èi tng

+ Tỷ số tương phản sáng/tối lớn nhất.
C¶m phát
biÕn hiện có thể lặp lại.
+Đối tượng
•

Hạn chế:
+Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến
+ Khó chỉnh thẳng hàng giữa cảm biến và nguồn sáng.
+Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm

¬ng ph¶n x¹
tia cần Gcó
thấu kính để thu hẹp chùm tia.

Nguån
s¸ng

C¶m biÕn

Hình 2.3 : Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát.
b). Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát :
Trong cách bố trí này, ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về mặt cảm biến. Vì
hành trình của tia sáng theo cả hai chiều đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so
với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nối qua khu vực cảm nhận.
Hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có
thể gây tác động sai.
G¬ng ph¶n x¹

Nguån
s¸ng

C¶m biÕn

11

VËt thÓ

Hình 2.4 : Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát.
c). Phát hiện đối tượng nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán :
Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò
làm gương phản chiếu. Đối tượng đặt khá gần nguồn sáng.
Nguån
s¸ng

C¶m biÕn

Hình 2.5 : Cảm biến phát hiện nhờ phản chiếu khuếch tán.
Khi có vật thể trong vùng hoạt động, cảm biến sẽ thu được ánh sáng phản xạ
từ vật thể.
Nguån
Với những đặc điểm trên, cảm biến
tiếp cận chỉ được sử dụng để phát hiện vật
s¸ng

thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác.
5. Cảm biến hồng ngoại :
C¶m biÕn

Hình 2.6 : Cảm biến hồng ngoại.
Hồng ngoại là loại tia có bản chất sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng mà
mắt người có thể nhìn thấy được, có bước sóng lớn hơn bước sóng của tia đỏ ( < ‫ג‬
760μm). Sóng hồng ngoại được tạo ra dễ dàng bằng cách tạo dao động cho diode
12

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, cảm biến hồng
ngoại sẽ phát xạ ra các tia hồng ngoại, sau đó dựa trên tín hiệu phản xạ về thì nó sẽ
phân tích xem có chuyển động hay không. Còn đối với các cơ thể sống, không hoạt
động trong vùng phát xạ, thì nó vẫn phát hiện được sự xuất hiện, vì các cơ thể cũng
tự bức xạ nhiệt,và cảm biến cũng thu được các bực xạ này. Trong mạch phát hiện
vật thể hoạt động trên nguyên lí thu phát hồng ngoại người ta bố trí các diode và
sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theo một số cách sau:
•

Bố trí cạnh nhau :
Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát ra khi gặp bề mặt vật cản sẽ

phản xạ lại. Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu phản
xạ này.
•

Bố trí đối diện :
Trong cách bố trí này, khi không có vật chắn, tia hồng ngoại từ diode phát

luôn tới và được sensor thu. Khi có vật chắn, tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà
phản xạ lại do đó không tới được sensor thu.
Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do đó có khả
năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường, 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.
6. Cảm biến siêu âm :

Hình 2.7 : Cảm biến siêu âm SRF05.
13


Siêu âm là dạng sóng âm được ứng dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách
và định vị vật thể .
Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu
phát siêu âm. Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu
âm từ đầu phát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới)
sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Vận tốc truyền âm thanh trong
không khí là một giá trị xác định trước, ít thay đổi. Do đó nếu xác định được
khoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi
được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo
tối đa lên tới 3-4 mét.
7. Cảm biến quang :
Cảm biến quang là loại cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang
hình học gồm nguồn phát sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang
điện).
Cảm biến quang gồm có:
- Biến quang phát xạ.
- Biến quang soi thấu.
Ứng dụng:
+ Nhận biết vị trí của chi tiết trong máy CNC
+Cảm biến màu sản phẩm hóa thực phẩm
+Cảm biến lùi định vị khoảng cách các vật đối với ô tô, để đảm bảo
an toàn
+Cảm biến định vị trí trục khuỷu, bướm ga, chân ga để nâng cao hiệu
suất, tính toán lượng nhiên liệu được đốt trong động cơ đốt trong.
+ Đếm sản phẩm trong dây chuyền …

Hình ảnh của một vài cảm biến quang :

14


Hình 2.8 : Cảm biến quang phát xạ.

Hình 2.9: Cảm ứng quang điện.
2.2.2 ENCODER :
•

Khái niệm : Nhiệm vụ của encoder là đo lường dịch chuyển thẳng

hoặc góc, đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân
và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của
Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy
CNC và robot dùng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi.

Hình 2.10: 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

15


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.

•

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder:

Hình 2.11 : Nguyên lý cơ bản của Encoder.
Đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ hoặc rãnh. Người
ta dùng một đèn Led chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn
Led không thể 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. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ
mỗi lần mắt thu nhận được tín hiệu Led có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
•

Phân loại : Encoder được chia làm 2 loại
+ Encoder tuyệt đối.
+ Encoder gia số.

1.

Encoder tuyệt đối :

Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau : nguồn sáng, đĩa mã hóa và các
photosensor.
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. Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới
hạn các góc hình thành các mặt diện tích. Tập hợp các mặt diện tích được giới hạn
bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dải băng. Số dải băng trên đĩa tùy thuộc khả năng
16

công nghệ. Trên các đĩa băng, các mặt diện tích, có mặt để trong suốt ( ánh sáng có
thể xuyên qua được ) và cũng có mặt được phủ một lớp mà ánh sáng không thể
xuyên qua.
Nguyên lý hoạt động của encoder tuyệt đối : Đĩa mã hóa được lắp trên trục, đối
diện qua đĩa mã hoá bên trái ta bố trí nguồn sáng (đèn Led ), phía bên kia của đĩa
( bên phải ) ta bố trí các photosensor, khuyếch đại và 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 hoá, nếu đối diện với tia sáng là
mặt diện tích trong suốt, ánh sáng truyền qua đĩa tới photosensor làm xuất hiện
dòng chạy qua photosensor. Nếu đối diện với tia sáng là mặt 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 mà ta đưa ra bộ khuyếch đại,
khuyếch đại đủ lớn để đưa đến tầng tiếp theo. Do qua trình quay đĩa mã hoá ,
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, 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 dải đựoc biểu
diễn qua công thức:
S = 2a

(2.1)

Trong đó: a là số nguyên dương tuyệt đối.
Giá trị góc chia trên đĩa mã hoá α được tính theo công thức.
α = 3600/ S

(2.2)

2. Encoder gia số :
Encoder gia số được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Encorder gia số có
hai kiểu kiểu thẳng và kiểu quay.

17


3.Encoder gia số kiểu 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 một hoặc hai dải
băng( dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dày 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 cố định trên vỏ cùng phía với photosensor.

Hình 2.12 : 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.
4.

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.

18

Hình 2.13 : Encoder gia số kiểu thẳng.
So sánh Encoder gia số và Encoder tuyệt đối:
Encoder gia số có ưu điểm sau:
+Đơn 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.
5.

Encoder xung :

Hình 2.14 : Encoder xung.
•

Ưu điểm:
+ Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thông điều khiển không cần có các

bộ chuyển đổi ADC.
+ Dễ sử dụng.
19


•

Nhược điểm:
+Giá thành cao.
+ Phải có thêm mạch giải mã và đếm.

Với những ưu nhược điểm của các loại Encoder nêu trên , ta nên chọn loại
Encoder tương đối 100xung/vòng quay, điện áp đầu vào là 5V, xung ra có điện áp
là 5V.
2.2.3 THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT ĐIỀU KHIỂN :
1. Công tắc hành trình :

Hình 2.15 : Công tắc hành trình.
Công tắc hành trình là một thiết bị thực hiện chức năng đóng mở mạch điện.
Nó thường được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ
cấu đến một vị trí đặt trước sẽ tác động lên công tắc .
Công tắc hành trình có thể tịnh tiến hoặc quay.
Người ta có thể sử dụng công tắc hành trình vào các mục đích như:
+ Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn cà tác động vào công
tắc sẽ làm tắt nguồn cung cấp cho cơ cấu nên nó không vượt qua vị trí giới hạn ).
+ Hành trình tự động : Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi
cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động hoặc tác
động trực tiếp đến cơ cấu đó.
Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động.
Các công tắc hành trình có thể là:
20


+ Các nút ấn thường đóng, thường mở.
+ Công tắc hai tiếp điểm .
+ Công tắc quang.
+ Công tắc từ.

2.

Rơle :

Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi
tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt
mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực.
*

Phân loại rơle :
Có nhiều loại rơle với nguyên lý và chức năng làm việc khác nhau. Do vậy có

nhiều cách để phân loại rơle.
a). Phân loại theo nguyên lý làm việc gồm các nhóm
- Rơle điện cơ (rơle điện từ,rơle cảm ứng…)
- Rơle nhiệt.
- Rơle từ….
b). Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành.
- Rơle có tiếp điểm.
- Rơle không tiếp điểm (rơle tĩnh): Loại này tác động bằng cách thay đổi đột
ngột các tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điên cảm,
điện dung, điện trở,….
c). Phân loại theo đặc tính tham số vào.
- Rơle dòng điện
- Rơle điện áp….
d). Phân loại theo cách mắc cơ cấu
- Rơle sơ cấp: Được mắc trực tiếp vào mạch cần bảo vệ.

21

- Rơle thứ cấp: Được lắp vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng
điện.
e). Phân theo gia trị và chiều các đại lượng đi vào rơ le.
- Rơle cực đại.
- Rơle cực tiểu….
*

Một số loại rơle thông dụng :

a). Rơle trung gian :
- Rơle 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. Rơle trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt của rơle chính
không đủ, hoặc chia tín hiệu từ rơle chính đến nhiều bộ phận khác nhau của sơ đồ
mạch điều khiển.
- Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử, Rơle 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 2.16 : Rơ le trung gian.
22


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 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). Rơle 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, nhiều khi phải tiến hành những thao tác kế tiếp nhau cách
nhau những khoảng thời gian xác định. Để tạo nên những khoảng thời gian đó
người ta dùng rơle thời gian. Như vậy rơle thời gian là thiết bị khi có tín hiệu vào
rơle thì sau một thời gian xác định rơle sẽ phát tín hiệu ở đầu ra (còn gọi là rơ le trễ
thời gian hay bộ trễ). Rơle thời gian có nhiều loại cấu tạo, nguyên lý hoạt động
khác nhau như: rơle thời gian điện từ, kiểu thủy lực, kiểu đồng hồ, kiểu kỹ thuật
số. Tùy theo yêu cầu công nghệ giá thành mà ta chọn cho phù hợp.

Hình 2.17 : Rơle thời gian.
Những yêu cầu khi chọn rơle thời gian:

23


+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 rơle cung cấp.
+Hầu hết các loại rơle yêu cầu trở về trạng thái khi tín hiệu điện vào ban
đầu bằng không, do đó yêu cầu hệ số nhả cao.
2.2.4 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG :
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:

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 định
như: 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)…

24


2. Cấu tạo động cơ điện một chiều :

Hình 2.18: Cấu tạo động cơ điện một chiều
a). Phần tĩnh (stato) : phần cảm hay còn là phần tạo ra từ trường.
Đây là phần đứng yên của máy bao gồm những bộ phận sau:
3.

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.
4.

Cực từ phụ :

25