s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------------------ -------------------

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
Đề tài:
Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện một chiều bằng cảm
biến encoder tương đối

Giáo viên hướng dẫn: Ths. NHỮ QUÝ THƠ
Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Trung Đức-2019601290
2. Phạm Ngọc Đức-2019604578
3. Nguyễn Ngọc Đức-2019606565

Hà Nội-2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: Cơ điện tử 3
2. Tên nhóm: Nhóm 3
Họ và tên thành viên:

Khóa: K14
Nguyễn Trung Đức 2019601290
Nguyễn Ngọc Đức 2019606565
Phạm Ngọc Đức 2019604578

II. Nội dung học tập

1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cảm
biến encoder tương đối
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mơ hình sản phẩm (Nếu có)
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hồn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/9/2021 đến
ngày 24/12/2021).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh
giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều
khiển.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ts. Nguyễn Anh Tú

Ths. Nhữ Quý Thơ

2


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ

Hệ thống có khả năng:
- Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng núm xoay.
- Đo tốc độ động cơ.
- Hiển thị tốc độ theo thời gian thực trên màn hình LCD.
- Có chức năng lựa chọn giới hạn mức tốc độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trị
mức vượt ngoài khoảng cho phép.
2. Cấu trúc thiết bị
Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến

Encoder tương đối

Bộ điều khiển

Vi điều khiển

Hiện thị tốc độ

LCD

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm số/ Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo

Đèn


3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số

Giá trị

Giới hạn đo

0-1500v/p

Sai số đo

5%

Độ phân giải encoder

>100 xung/vịng

Cơng suất động cơ

>10W

Điện áp động cơ

12VDC

4. Nội dung báo cáo
- Bản vẽ
TT


Tên bản vẽ

Khổ
giấy

Số
lượng

1

Bản vẽ sơ đồ hệ thống

A3

1

2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ

A3

1

thống
- Báo cáo
3


Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 7
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG................................................. 8
1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 8
1.2 Các yêu cầu cơ bản ........................................................................................... 8
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu ................................................ 9
1.3.1 Phương pháp .............................................................................................. 9
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 9
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu................................................................................... 9
1.3.4 Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................... 10

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG .................................... 11
1.4 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. ......................................................................... 11
1.4.1 Tổng quan hệ thống ................................................................................. 11
1.4.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 11
1.4.3 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................. 12
1.5 Phân tích và lựa chọn cảm biến ...................................................................... 12
1.5.1 Phân loại encoder ..................................................................................... 13
1.5.2 Cấu tạo ..................................................................................................... 13
1.5.3 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 14
1.5.4 Những thông số cơ bản của encoder ........................................................ 15
1.6 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển ............................................................... 15
1.6.1 Vi điều khiển............................................................................................ 15
1.6.2 Các chân năng lượng ............................................................................... 16
1.6.3 Các cổng vào/ra có chức năng đặc biệt ................................................... 16
1.6.4 Phần mềm lập trình .................................................................................. 17
4


1.6.5 Mạch điều khiển tốc độ............................................................................ 17
1.6.6 Thông số kỹ thuật .................................................................................... 17

1.6.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.................. 17
1.6.8 Nguyên lý làm việc của PWM ................................................................ 18
1.7 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu ................................................................. 19
1.7.1 Thiết kế mạch đo ..................................................................................... 19
1.7.2 Xử lý tín hiệu ........................................................................................... 19

Chương 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG .................................... 20
1.8 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ cơ khí .............................................................. 20
1.8.1 Giới thiệu phần mềm ............................................................................... 20
1.8.2 Bản vẽ lắp các chi tiết của hệ thống ........................................................ 20
1.9 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ điều kiển ......................................................... 22
1.9.1 Mơ phỏng chương trình điều kiển ........................................................... 22
1.10 Xây dựng chương trình điều khiển ............................................................... 24

KẾT LUẬN .................................................................................................... 25
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 26

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1Tổng quan hệ thống ................................................................................... 11
Hình 2. 2 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................. 12
Hình 2. 3 Encoder LPD3806- 360BM ...................................................................... 13
Hình 2. 4 Cấu tạo encoder ........................................................................................ 14
Hình 2. 5 Minh họa encoder ..................................................................................... 15
Hình 2. 6 Mạch Arduino R3 ..................................................................................... 16
Hình 2. 7 Mạch điều khiển động cơ L298 ................................................................ 17
Hình 2. 8 Đồ thị dạng xung điều chế PWM ............................................................. 18
Hình 2. 9 Mạch đo xử lý tín hiệu .............................................................................. 19


Hình 3. 1 Bản vẽ lắp hệ thống .................................................................................. 20
Hình 3. 2 Hệ thống khi hồn thành ........................................................................... 21
Hình 3. 3 Giới hạn hiện thị lên lcd ........................................................................... 22
Hình 3. 4 Chưa đạt tốc độ tối thiểu ........................................................................... 22
Hình 3. 5 Tốc độ nằm trong khoảng giới hạn ........................................................... 23
Hình 3. 6 Tốc độ nằm ngồi khoảng giới hạn .......................................................... 23
Hình 3. 7 Lưu đồ thuật toán ...................................................................................... 24

6


LỜI MỞ ĐẦU
Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại đầu vào từ môi
trường vật lý. Đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất
hoặc bất kỳ một trong số rất nhiều hiện tượng môi trường khác. Đầu ra nói chung là
tín hiệu được chuyển đổi thành màn hình có thể đọc được ở vị trí cảm biến hoặcđược
truyền điện tử qua mạng để đọc hoặc xử lý thêm.
Encoder tương đối là một loại thiết bị mã hóa chuyển đổi chuyển động góc hoặc
vị trí của trục thành mã tương tự hoặc kỹ thuật số để xác định vị trí hoặc chuyển
động. Đây là một trong những bộ mã hóa quay được sử dụng phổ biến nhất. Thiết bị
này có thể được sử dụng trong các ứng dụng định vị và phản hồi tốc độ động cơ bao
gồm các ứng dụng servo/nhẹ, công nghiệp hoặc các công việc hạng nặng. Để góp
phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật hiện nay, nhóm chúng emđã quyết định
chọn cảm Ecoder tương đối. Nhóm chúng em đã nghĩ ra ý tưởng “hệ thống đo tốc
độ động cơ điện một chiều bằng cảm biến encoder tương đối”
Cảm biến ecoder tương đối được đặt trong một số thiết bị sản xuất, để đếm tốc
độ chuyển động động cơ. Mơ hình sử dụng cảm biến ecoder tương đối điều khiển
bởi ardunio và được mô phỏng trên phần mềm protues và hiển thị tốc độ trên màn
hình LCD, giúp đếm tốc độ động cơ để đưa ra thông tin cho người điều khiển để có

thể điều khiển theo ý muốn .
Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử
của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và cung
cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời
cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn là thầy Nhữ Quý Thơ, thầy đã tận tình
hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực
hiện đồ án mơn. Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh
nghiệm cho nhóm trong thời gian qua. Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cơ và cùng
tồn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc.
Xin chân thành cảm ơn!
7


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung
- Hệ thống đo tốc độ động cơ đóng một vai trị quan trọng trong dây truyền sản
xuất, nó giúp kiểm sốt tốc độ động cơ một cách chính xác và có thể giúp điều chỉnh
tốc độ động cơ trong quá trình làm việc giúp cơng việc được thực hiện chính xác
hơn.
- Encoder là thiết bị rất quan trọng trong cấu tạo của động cơ và máy CNC...,
nó giúp chúng ta đọc được tốc dộ và vị trí của động cơ, nhờ các xung vng có tần
số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ .
- Trong đề tài này, nhóm sẽ sử dụng cảm biến encoder tương đối để xây dựng
hệ thống đo tốc độ động cơ điện một chiều và hiển thị tốc độ động cơ lên màn hình
LCD, khi tốc độ không nằm trong khoảng cho phép thiết bị sẽ đưa ra thông báo để
người điều khiển biết và điều chỉnh.
1.2 Các yêu cầu cơ bản

Để giải quyết đề tài, nhóm cần giải quyết một số vấn đề như sau:
- Về phần hệ thống đo và cảm biến:khi cảm biến encoder chuyển động bộ
chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyển thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu
này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển và được xử lý để hiển thị các giá trị
cần đo bằng chương trình riêng biệt.
- Về phần điều khiển: hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều thơng
qua phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là
phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng xung vuông dẫn đến sự thay đổi
điện áp. Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó cịn
được dùng để ổn định tốc độ động cơ. Ngồi ra hệ thống cịn sử dụng phím nhập liệu
để nhập giới hạn tốc độ hiển thị lên màn hình LCD và cảnh báo bằng LED.
- Về phầm mềm lập trình: phần mềm lập trình arduino ide trên máy tính, phần
mềm lập trình chính xác, phổ biến, dễ dàng cho người mới tiếp cận.

8


- Mơ hình hóa và mơ phỏng: Phần mềm Proteus cho phép mô phỏng hoạt của
mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các
họ vi điều kiển như PIC,AVR,ADRUINO,...
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp
- Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cở sở hệ thống tự
động, cảm biến và hệ thống đo, kỹ thuật vi xử lý, tìm hiểu trên Internet, sách vở.
- Áp dụng nhưng phương pháp thiết kế, viết chương trình tính tốn, phân tích,
xử lý số liệu để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài.
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của cảm biến encoder, đặt ra các vấn đề cần
giải quyết từ đó xây dựng hệ thống.
- Sử dụng các kiến thức đã học về mô phỏng, thiết kế mạch điện trên phần
mềm Proteus.

- Xây dựng, thiết kể code điều kiển trên phần mềm arduino ide theo đúng yêu
cầu bài toán đặt ra.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu, mô phỏng động cơ encoder, bộ kít vi xử lí Arduino UNO R3, bộ
điều chỉnh tốc độ L298, PWM thông qua các kiến thức đã học, tìm hiểu ở các tài liệu
trên thư viện sách, trên mạng internet...
+ Cơ sở tính tốn, liên kết và điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học các mô
phỏng để đưa ra một hệ thống hoàn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế tạo mơ hình của
hệ thống.
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu
+ Tốc độ động cơ từ 0 đến 1500v/p
+ Cơng suất động cơ 10W và có điện áp động cơ 12VDC.
+ Encoder tương đối có độ phân giải lớn hơn 100 xung/vịng
+ Bộ điều khiển vi xử lí Arduino UNO R3-8bit, tốc độ tối đa là 16Mhz.

9


1.3.4 Ý nghĩa thực tiễn.
- Hệ thống đo tốc độ bằng cảm biến encoder tương đối và điều khiển tốc độ
bằng PWM là một trong những đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao trong
sự phát triển của khoa học, cơng nghệ.
-Mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị cơng nghiệp cũng như các
thiết bị công nghệ trong đời sống hiệu quả hơn và tạo tính an tồn cho người lao độ,
đây chính là động lực để nhóm em tìm hiểu và có thêm nhiều hiểu biết hơn và cách
điều khiển, thiết kế và chế tạo hệ thống tối ưu và đáp ứng đủ các yêu cầu đưa ra.
-Áp dụng để sử dụng trong việc kiểm soát tốc độ và dùng trong các các thiết bị
tự động hóa trong sản xuất, đo lường như tốc kế,…

10



CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.
2.1.1 Tổng quan hệ thống

Hình 2. 1 Tổng quan hệ thống
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
- Khi động cơ điện một chiều hoạt động đĩa quay quanh trục của encoder,
quay cùng với tốc độ động cơ, cảm biến quang trên encoder sẽ nhận tín hiệu quang
chiếu qua chỗ có khe mỗi lần nhận tín hiệu quang sẽ được quy ước là 1 xung.
- Bộ vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ Encoder và xử lý tín hiệu đó rồi gửi
thơng tin hiển thị tốc độ của động cơ lên LCD và so sánh với giới hạn tốc độ đã
được nhập từ bàn phím.
- Khi tốc độ vượt qua giới hạn được cho phép đèn LED cảnh báo sẽ sáng.
- Khi tốc độ vượt quá giới hạn đã nhập đèn LED sẽ cảnh báo để người sử
dụng biết và điều chỉnh biến trở sao cho tốc độ nằm trong khoảng giới hạn đã đề ra
trước đó.
11


2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2. 2 Sơ đồ khối hệ thống
- Khối nguồn: khối nguồn trong hệ thống đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi một
nguồn điện cho trước (vd: 110/220VAC, 12/24VDC,...) đến các giá trị cần thiết, cụ thể là
dòng và áp định mức cung cấp cho các khối trong thệ thống.

- Khối vi điều khiển: nhận nhiệm vụ thu tín hiệu từ khối cảm biến, tiến hành xử lý
tín hiệu thu được và gửi tín hiệu điều khiển cho khối hiển thị và khối chấp hành.
- Khối cảm biến encoder: gửi tín hiệu xung qua 2 kênh A và B cho khối vi điều
khiển để xử lý tín hiệu và gửi đến khối hiển thị.
- Khối hiển thị : nhận tín hiệu điều khiển từ khối vi điều khiển, hiển thị tốc độ của
động cơ DC và ra hiệu cảnh báo cho người dùng khi tốc độ nằm ngoài khoảng giới hạn.
- Khối chấp hành: nhận lệnh từ khối vi điều khiển và thực hiện.

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống đo tốc độ động cơ. Có
thể dễ hình dung rằng nó giống như bộ phận cơng tơ mét ở xe máy hay ơ tơ, nó sẽ
đo đạc và hiển thị các thông số về tốc độ của máy cho người sử dụng biết thông qua
hệ thống giám sát của máy tính điều khiển.

12


Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc và tốc độ của một đĩa quay, có
thể là đĩa quay của bánh xe, trục động cơ hay bất kì thiết bị nào cần xác định vị trí
góc và tốc độ.
2.2.1 Phân loại encoder
Encoder có nhiều xuất xứ và chủng loại khác nhau, nhóm sẽ phân loại chúng
theo 2 loại chính như sau:
+ Encoder tuyệt đối (adsolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân
hoặc mã Gray.
+Encoder tương đối (encremental encoder): có tín hiệu tăng hoặc theo
chu kỳ.
Trong q trình nghiên cứu nhóm em quyết định chọn đo tốc độ động cơ bằng
ENCODER LPD3806- 360BM-G5- 24C để phù hợp với yêu cầu của đề tài, và sự
phổ biến của nó trong cuộc sống.


Hình 2. 3 Encoder LPD3806- 360BM
2.2.2 Cấu tạo
Đĩa quang trịn có rảnh nhỏ quay quanh trục: Trên đĩa được đục lỗ (rãnh), khi
đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt quãng xảy ra. Các
rãnh trên đĩa chia vòng tròn 360o thành các góc bằng nhau. Và một đĩa có thể có
nhiều dãy rãnh tính từ tâm trịn.
Bộ cảm biến thu (photosensor)

13


Nguồn sáng (Light source).

Hình 2. 4 Cấu tạo encoder
Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả về dễ dàng.
Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về. Sẽ tích lũy sai số khi hoạt động
lâu dài.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động
Khi đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua
(Led). Chỗ có rãnh thì ánh sáng xun qua được, chỗ khơng có rãnh ánh sáng khơng
xun qua được. Với các tín hiệu có/khơng người ta ghi nhận đèn Led có chiếu qua
hay khơng.
Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe. Ví dụ trên đĩa
chỉ có 100 khe thì cứ 1 vịng quay, encoder đếm được 100 tín hiệu. Đây là nguyên
lý hoạt động của loại Encoder cơ bản, còn đối với với nhiều chủng loại khác thì
đương nhiên đĩa quay sẽ có nhiều lỗ hơn và tín hiệu thu nhận cũng sẽ khác hơn.
Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục, từ đó:
Tạo ra các tín hiệu dạng xung vng. Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về
bộ xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị trí/ tốc độ của động cơ.


14


Hình 2. 5 Minh họa encoder
2.2.4 Những thơng số cơ bản của encoder
+ Điện áp hoạt động: 5- 24VDC.
+ Loại: cảm biến quang 2 kênh AB.
+ Số xung/ vòng quay: 360 xung.
+ Tốc độ hỗ trợ: 2000rpm, 6000rpm max
+ Tần số đáp ứng: 20KHZ.
+ Ngõ ra tích cực hở: NPN.
+ Kích thướng thân: 39x6x13mm.
+ Đường kính trục: 6mm.
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.3.1 Vi điều khiển
Mạch Arduino R3: thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển Atmega328. Là
dòng mạch Arduino phổ biến, linh hoạt, dễ dàng làm quen cho người mới bắt đầu,
bộ não này có thể xử lý được những tác vụ đơn giản như điều khiển LED, xử lý tín
hiệu, điều khiển động cơ.

15


Hình 2. 6 Mạch Arduino R3
Nguồn sử dụng: Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thơng qua
cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC hoặc điện
áp giới hạn là 6-20V.
2.3.2 Các chân năng lượng
+ GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
+ 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
+ 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
+ Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
+ RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
2.3.3 Các cổng vào/ra có chức năng đặc biệt
+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) sử dụng để giao tiếp với các thiết bị khác.
+ Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8 bit.
+ Chân giao tiếp I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI.
16


2.3.4 Phần mềm lập trình
+ Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một mơi trường
lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE. Có nhiều thư viện hỗ trợ, dễ dàng lập
trình và thiết kế code nạp và Arduino.
2.3.5 Mạch điều khiển tốc độ
Mạch điều khiển tốc độ L298 có khả năng điều khiển tốc độ động cơ DC. Sử
dụng IC là L298 có cấu có cấu tạo gồm hai mạch cầu H transitor.

Hình 2. 7 Mạch điều khiển động cơ L298
2.3.6 Thông số kỹ thuật
+ Driver: L298N tích hợp mạch cầu H.
+ Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V.
+ Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A.
+ Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V.

+ Dịng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA.
+ Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃).
+ Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃.
2.3.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
+ Điều chế độ rộng xung pwm.
+ Điều chỉnh R phần ứng bằng cách nối tiếp thêm điện trở R*.
+ Điều chỉnh từ thông ∅.
+Thay đổi điện áp Vư.
17


Trong q trình nghiên cứu nhóm chúng em quyết định định sử dụng phương
pháp điều chế độ rộng xung PWM vì nó dễ dàng tiếp cận và lập trình bằng các bộ vi
điều khiển.
2.3.8 Nguyên lý làm việc của PWM
PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ của nguồn của tải. Khi
van G mở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải. Khi van đóng, tải bị cắt nguồn điện
áp. Vì vậy, trong suốt chu kỳ đóng mở van G này, tải sẽ có lúc nhận được tồn bộ
nguồn điện áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hồn tồn khơng nhận
được gì.

Hình 2. 8 Đồ thị dạng xung điều chế PWM

18


2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.4.1 Thiết kế mạch đo
Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch điện hệ thống:


Hình 2. 9 Mạch đo xử lý tín hiệu
2.4.2 Xử lý tín hiệu
+ Trong và này nhóm chúng em sử dụng 1 ngắt ngồi để đo số xung của encoder.
+ INT0: khi có cạnh xuống của tín hiệu encoder thì biến xung tăng lên 1, đây là biến
lưu xung encoder.

+ Gọi số xung xuất ra từ chân A trong 1s là: n.
+ Số xung của đĩa encoder là: Ne (khi động cơ quay được 1 vòng thì trên kênh A
hoặc B sẽ xuất ra Ne xung).
+ Tốc độ động cơ: V = n/Ne*60 (vòng/phút).
+ Vậy để đo tốc độ động cơ, bạn chỉ cần đếm được số xung xuất ra từ 1 trong 2 kênh
A và B trong thời gian 1s hay nói cách khác đó chinh là tần số xung encoder.

19


CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG
3.1 1Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ cơ khí
3.1.1 Giới thiệu phần mềm
Dựa theo yêu cầu đề bài đặt ra nhóm chúng em sử dụng phần mềm Solidworks để
mô phỏng 3D hệ thống đo tốc độ động cơ 1 chiều bằng cảm biến encoder.
Với đặc điểm dễ dàng sử dụng và tiếp cận với thiết kế 3D các chi tiết và thiết kế lắp
ghép và các cụm lắm ghép, xuất bản vẽ dễ dàng.

3.1.2 Bản vẽ các chi tiết của hệ thống

Hình 3. 1 Bản vẽ chi tiết hệ thống

20



STT

Chi tiết

1

Encoder

Kích thước
- Đường kính trục quay: 0.8 cm

Số lượng
1

- Đường kính động cơ : 7 cm
- Chiều dài động cơ : 10 cm
2

Biến trở

3

Đèn cảnh báo

4

Keypad 4x3

- Đường kính đáy trịn của biến trở: 6 cm


1

- Đường kính led: 5mm

2

- Kích thước ngồi của bàn phím: 10cm x

1

7.5cm
5

Màn hình LCD

- Chiều dài tổng : 13 cm

1

- Chiều rộng tổng : 7 cm
- Kích thước màn hình trong: 9 cm x 4 cm
6

Khung

Kích thước của khung: 18x11 cm

1


3.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Khi động cơ điện một chiều hoạt động đĩa quay quanh trục của encoder, quay
cùng với tốc độ động cơ, cảm biến quang trên encoder sẽ nhận tín hiệu quang chiếu
qua chỗ có khe mỗi lần nhận tín hiệu quang sẽ được quy ước là 1 xung.
- Bộ vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ Encoder và xử lý tín hiệu đó rồi gửi
thơng tin hiển thị tốc độ của động cơ lên LCD và so sánh với giới hạn tốc độ đã được
nhập từ bàn phím.
- Khi tốc độ vượt qua giới hạn được cho phép đèn LED cảnh báo sẽ sáng.
- Khi tốc độ vượt quá giới hạn đã nhập đèn LED sẽ cảnh báo để người sử dụng
biết và điều chỉnh biến trở sao cho tốc độ nằm trong khoảng giới hạn đã đề ra trước
đó.

21


3.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ điều kiển
3.2.1 Mơ phỏng chương trình điều kiển
Nhập từ bàn phím giới hạn tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa để khi tốc độ nằm
ngoài khoảng cho phép hệ thống sẽ phát ra cảnh báo để người điều khiển có thể
điều chỉnh.
Giả sử:
Nhập giới hạn tối thiểu: 120 RM
Nhập giới hạn tối đa: 300 RMP

Hình 3. 2 Giới hạn hiện thị lên lcd
Sau khi nhập xong giới hạn nhấn phím ‘#’ động cơ sẽ bắt đầu chạy. Khi
động cơ chưa đạt được giới hạn tối thiều đèn LED sẽ báo sáng và màn hình sẽ hiện
thị cảnh báo “tăng tốc độ!”, người điều kiển sẽ vặn biến trở để tăng tốc độ.

Hình 3. 3 Chưa đạt tốc độ tối thiểu


22


Khi đạt tốc độ tối thiểu đèn LED và cảnh báo trên màn hình sẽ khơng hoạt
động.

Hình 3. 4 Tốc độ nằm trong khoảng giới hạn
Khi tốc độ vượt quá giới hạn tối đa đèn LED cảnh báo và màn hình sẽ hiển
thị dịng cảnh báo “giảm tốc độ!”, người điều kiển sẽ điều chỉnh biến trở để giảm
tốc độ của động cơ xuống mức giới hạn cho phép.

Hình 3. 5 Tốc độ nằm ngồi khoảng giới hạn
Link video mơ phỏng hệ thống trên phần mềm protues: />
23


3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
Theo yêu cầu của bài tốn đặt ra, ta có lưu đồ thuật tốn cho hệ thống điều
khiển hệ thống đo tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng encoder.

Hình 3. 6 Lưu đồ thuật toán

24


KẾT LUẬN
Sau q trình thiết kế và chế tạo mơ hình đo và điều khiển tốc độ động cơ bằng
encoder tương đối hiển thị tốc độ lên LCD và cảnh báo bằng LED khi tốc độ ngoài
khoảng giới hạn đặt. Mơ hình của nhóm vẫn cịn một u cầu chưa đáp ứng được:

+ Về tốc độ: tốc độ lớn nhất động cơ có thể đạt được là 600 v/p nên nhóm đã
đặt giới hạn đo :0-600 v/p
+ Cịn những u cầu khác: đo, điều khiển tốc độ động cơ, hiển thị lên LCD,
cảnh báo bằng đèn khi tốc độ ngoài khoảng giới hạn thì nhóm đã làm được.
+ Nhóm đã học được nguyên lý hoạt động của encoder tương đối, động cơ
điện 1 chiều, LCD, ... cách đo tốc độ động cơ bằng encoder.
Khả năng phát triển:
Có thể áp dụng phương pháp điều khiển kinh điển: PI,PD,PID hoặc các
phương pháp điều khiển thơng minh: fuzzy,neural network,… để tăng tính ổn định
của hệ thống khi chịu tải hoặc tác động bên ngồi. Nếu dùng modun có sẵn để tăng
tính ổn định thì nay trên thị trường có mạch cầu PID có thể dùng trực tiếp.

25