Thiết kế và chế tạo một hệ thống cửa tự động

ợng, hạ giá thành sản phẩm v.v… Những thập niên gần đây TĐH đã có mặt ở hầu hết các lĩnh vực đời sống của con người, phục vụ nhu cầu sinh hoạt, đi lại, vui chơi, giải trí v.v... giúp cuộc sống của con người ngày một hiện đại hơn và văn minh hơn. TĐH đã dần trở thành một trong những lĩnh vực được chú trọng quan tâm đầu tư và phát triển hàng đầu của các quốc gia trên toàn thế giới. Trong quá trình phát triển của mình, TĐH đã đạt được những thành tựu to lớn, có nhiều ứng dụng độc đáo và hữu ích cho con người. Một trong những ứng dụng đó là việc thiết kế và chế tạo một hệ thống cửa tự động. Với đặc điểm công nghệ nổi bật là cửa tự động mở ra khi có người đến gần và cũng tự động đóng lại khi không có người. Các công việc đó được thao tác một cách nhanh chóng, chính xác, độ an toàn tương đối cao và giá thành hợp lí. Trong đó loại cửa trượt hai cánh là loại được ứng dụng phổ biến nhất. Hệ thống cửa này được lắp đặt ở những nơi có lưu lượng người qua lại là lớn. Sinh viên thực hiện LÊ TRUNG SƠN CHƯƠNG 1 TổNG QUAN Về các loại cửa 1.1. Khái niệm chung Cửa tự động là một loại cửa có thể đóng mở một cách tự động mà không cần sự tác động trực tiếp của con người (như phải đẩy cửa ra hoặc đẩy cửa vào hay phải bật tắt các công tắc như các cửa thông thường khác). Mà chỉ cần khi có người hoặc vật đến gần thì cửa sẽ tự động mở ra và khi không có người thì nó tự động đóng lại. Loại cửa này rất tiện lợi giúp người hoặc vật có thể đi ra hoặc đi vào dễ dàng. thay thế việc đóng mở cửa bằng tay có thể mất thời gian và đôi khi gây không ít phiền toái. Sử dụng loại cửa này rất thuận tiện cho việc lưu thông, bốc dỡ hàng hoá, tiện lợi cho người mang vác vật cồng kềnh (như ở nhà ga, sân bay, bến cảng v.v...). Về mặt thẩm mỹ tuy không cầu kì nhưng việc lắp đặt và sử dụng loại cửa này làm cho không gian và kiến trúc của công trình rộng rãi hơn và mang dáng vẻ hiện đại và sang trọng. Hiện nay trên thế giới xuất hiện nhiều loại cửa đóng mở tự động khác nhau với nhiều hình dáng, kích thước, chức năng khác nhau, đáp ứng mọi yêu cầu và mục đích của người dùng. Tính năng và công dụng ngày càng được nâng cao, an toàn vá đảm bảo hiệu quả về tiết kiệm không gian, thời gian và năng lượng. Cửa tự động cũng có một hệ thống điện tương đối phức tạp, vừa phải đảm bảo chạy đúng từng vị trí. Làm thế nào để người vào và người ra không phải đợi quá lâu trong khi cửa đang ở trạng thái đóng hay ở trạng thái mở cửa, và lưư lượng người ra vào liên tục như thế, đòi hỏi việc thiết kế phần điện và phần lập trình cho PLC là hết sức phức tạp. Nó sẽ phải đảm bảo an toàn cho mỗi hành khách, hàng hóa. Ngoài các hệ thống đóng cắt bằng điện, giám sát hoạt động của cửa thông qua các cảm biến để bảo vệ bằng cách cho chạy hay không cho chạy, nó còn có các hệ thống bảo vệ cơ khí cho cửa khi sự cố xảy ra, có tác dụng khi cửa mở quá nhanh hay đóng quá nhanh nó sẽ kìm hãm lại, phòng trừ cho trường hợp đứt dây đai. Về điện đảm bảo độ êm khi chạy không giật mạnh, không dừng lại mà phải hãm nhẹ bằng điện và phải đảm bảo đóng mở chính xác, đúng lúc để cho người ra vào được thuận lợi nhất. 1.2. Các loại cửa tự động hiện nay Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo,cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt 1.2.1. Cửa cuốn Hình 1.1. Hình dạng bên ngoài cửa cuốn Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất nhỏ. Loại cửa này thường được dùng cho gara ô tô. Nó có tính kinh tế khá cao vì không mấy khó khăn khi làm được loại cửa này. Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hỏng hơn các loại cửa khác 1.2.2. Cửa kéo Hình 1.2. Hình dạng bên ngoài cửa kéo Loại cửa này nhìn rất lạ, với kết cấu đơn giản một động cơ được gắn cố định với trần nhà. Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây. Ưu điểm của loại này là đơn giản nhưng hiệu quả, so với loại cửa cuốn thì cánh cửa chắc hơn nhiều. Có lẽ nhược điểm của loại cửa này là động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cửa. 1.2.3. Cửa trượt Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh trượt cố định cho phép cánh cửa thể trượt qua trượt lại . Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn, cơ quan hay sân bay, nhà ga... Loại cửa này có ưu điểm là kết cấu khá nhẹ nhàng,tạo ra một cảm giác thoáng đạt và thoải mái và lịch sự rất thích hợp với nhưng nơi công cộng, cơ quan... Hình 1.3. Hình dạng bên ngoài cửa trượt Loại cửa này thiết kế rất toàn vẹn, nó có thể nhận biết được người, máy móc cũng như loài vật có thể đi qua. Nhược điểm của loại cửa này là không hề chắc chắn , nhẹ nhàng nhưng không có nghĩa là gọn gàng mà ngược lại có khi lại rất cồng kềnh . Có một điều không thể phủ nhận đó là tính phổ biến của loại cửa này. Vì vậy em chọn thiết kế loại cửa trượt hai cánh. chương 2 Tìm hiểu công nghệ cửa trượt tự động 2.1. Khái quát chung Hình 2.1. Sơ đồ tổng quan về cửa Để đảm bảo thiết kế loại cửa tự động đáp ứng đúng nhu cầu của con người, với những tính năng vượt trội so với cửa bình thường, ta phải đảm bảo hoàn thành yêu cầu chung sau về cửa tự động: Một là, cửa phải tự động đóng mở khi có người thực sự muốn đi qua cửa và phải tự đọng đóng lại khi chắn chắn đã hết người muốn đi qua cửa. Yêu cầu cầu này có nghĩa là việc đóng mở cửa tự động là hoàn toàn không tuỳ tiện. Ta phải tìm được một thiết bị có thể nhận biết được khi nào thì người thực sự muốn đi qua và khi nài thì chắc chán không còn ai muốn đi qua nữa. Thiết bị này sẽ giúp ta điều khiển chính xác cửa đáp ứng nhu cầu của người dùng cửa. Hai là, trong hoạt động của cửa tự động, khi cửa mở thì phải mở nhanh, gần mở hết thì phải tự động giảm tốc thấp hơn rồi sau đó mới dừng hẳn. Sở dĩ ban đầu phải mở nhanh vì như thế sẽ không làm người dùng cửa phải chờ đợi, gây mất thời gian. Tuy nhiên gần mở hết thì cửa lại phải giảm tốc đó là để tránh việc va đập cửa ở cuối hành trình, đồng tời đảm bảo việc dừng cửa chính xác ở nơi cần dừng. Để đáp ứng yêu cầu này thì với quá trình mở cả, cửa tự động phải có hai cấp tốc độ. Ba là, khi cửa đóng cũng phải đóng nhanh, nhưng phải chọn thời gian phù hợp rồi giảm tốc xuống thấp hơn, đến gần cuối hành trình thì giảm tốc xuống nữa. Yêu cầu cầu này dặt ra là do: cửa, nếu không có người qua lại, thì để ở trạng thái đóng để đảm bảo chức năng của nó là ngăn cách bên trong với bên ngoài, bảo vệ những gì ở bên trong cánh cửa. Một ví dụ đơn giản là ở những nơi công cộng có sự dụng máy lạnh, việc cửa đóng nhanh khi không có người qua lại sẽ giảm bớt thất thoát hơi lạnh, tức là tiết kiệm điện hay chính là tiết kiệm tiền bạc. Tuy nhiên, cửa trong quá trình đóng cửa, cửa không thể giữ nguyên tốc đọ rất nhanh trng suốt quá trình vì ở trạng thái như vậy, cửa sẽ gây cho ngươi cảm giác như là cửa đang lao vào mình, đây là điều không nên. Vì vậy mà sau một khoảng thời gian, cửa cần giảm tốc, để tạo cảm giác an toàn cho người sử dụng, và lúc này lượng hơi lạnh thất thoát sẽ ít hơn nhiều. Cuối hành trình, cửa lại giảm tốc tiếp chính là để tránh va đập và dừng chính xác. Như vậy là ở quá trình đóng cửa, cửa tự động phải có 2 cấp tốc độ. Trong quá trình đóng cửa hoặc dừng tại cuối hành trình mở, nếu cảm biến nhận biết bị tác động thì cửa được mở và ngược lại (Nếu đang hành trình đóng hoặc mở thì phải đảm bảo độ an toàn khi dừng). Ta tóm tắt quá trình hoạt động của hệ thống qua đồ thị sau: Bên cạnh những yêu cầu về hoạt động của cửa tự động như trên, ta phải đảm bảo cửa luôn đóng khi không có người muốn qua lại. Đặc điểm này đảm bảo chức năng chính của cửa là vừa tạo lối qua lại, vừa che chắn được những thứ phía bên trong cánh cửa. Để đáp ứng yêu cầu chung về cửa tự động ở trên, ta phải đi vào giải quyết các yêu cầu riêng trong từng khâu của cửa tự động, đó là: Kết cấu cơ khí. Cảm biến. Chuyền động. 2.2. Kết cấu cơ khí của cửa tự động Phần cơ khí của cửa tự động quyết định hình thức và chất lượng hoạt động của cửa tự động đoá. Vì vậy yêu cầu của phần này là vừa phải có hình thức đẹp, bố trí hợp lí gọn gàng, vừa phải có chế độ hoạt động một cách nhe nhành, trơn và êm. Nếu cửa tự động đạt được những yêu cầu này thì người sử dụng sẽ cảm thấy thoải mái và an toàn. (Bởi vì rõ ràng người sẽ không thể cảm thấy thoải mái khi nhìn thấy một cánh cửa xấu hay bố trí vô lí; và cũng không thể cảm thấy an toàn khi cánh cửa hoạt đọng lại phát ra tiếng ồn quá lớn như là sắp có sự cố gì sắp xảy ra.) Đáp ứng yêu cầu trên, kết cấu cơ khí của cửa tự động được thiết kế bao gồm : Cánh cửa Móc treo cửa Con lăn Đường ray Dây đai Pu ly Được bố trí như hình vẽ 2.2 Cánh cửa Dây Curoa Gắn với trục đông cơ truỳen đông Móc treo Hình2.2. Sơ đồ động học của cửa tự động 2 cánh 2.2.1. Cánh cửa Cánh cửa là phần duy nhất trong kết cấu cơ khí mà người dùng có thể nhìn thấy dễ dàng. Vì vậy yêu cầu về hình thức cánh cửa là khá quan trọng. Cánh cửa có thể làm bằng kính bằng như... nhưng phải đảm bảo chắc chắn, an toàn và thẩm mĩ. Các loại cửa của Cửa tự động được phân loại theo trọng lượng của cánh cửa: Đối với Cửa tự động có 2 cánh có các loại trọng lượng sau: 120 kg /2 cánh 150 kg /2cánh 200 kg /2 cánh Đối với loại cửa tự động có 1 cánh có các loại trọng lượng từ 60 - 80 kg/cánh. Tuỳ vào yêu cầu của từng nơi lắp đặt mà ta chọn loại cửa tự động 2 cánh hay cánh và có trọng lượng là bao nhiêu. Trong khuôn khổ đồ án này em chọn loại cửa tự động có hai cánh có trọng lượng là: 100 kg/ 1 cánh. Động cơ có các thông số sau: P= 45 ( W) , DC U= 40 (V) 2.2.2. Móc treo cửa Móc treo cửa vừa được gắn vào con lăn chính, vừa được gắn vào cánh cửa. Mỗi móc treo cửa chỉ gắn với một con lăn chính. Nhưng mỗi cánh cửa phải có 2 móc treo để giữ (treo) cửa chắc chắn và cân bằng. Yêu cầu để thuận tiện cho quá trình lắp đặt. 2.2.3. Con lăn * Con lăn chính được gắn vào móc treo và đặt chạy trên đường ray. Do đó nó phải chịu sức nặng kéo xuống của cánh cửa đồng thời chịu cả sự ma sát lớn khi chạy trên đường ray. Vì thế, con lăn phải được làm bằng nhựa đặc biệt, yêu cầu phải chịu đực trọng lượng cánh cửa vph nhiệt độ ma sát khi cửa chạy. Ngoài các con lăn chính, Cửa tự động còn có các con lăn phụ có tác dụng giữ hoặc định vị các con lăn chính khi chạy không bị trật khỏi đường ray. Mỗi cánh cửa cũng phải có 2 con lăn phụ. 2.2.4. Đường ray Ray dẫn hướng được lắp đặt ngang theo cánh cửa để dẫn hướng cho cánh cửa chuyển động theo phương ngang, nó được bắt cố định ở dưới cửa để đảm bảo cho cánh cửa luôn luôn nằm ở vị trí thiết kế của chúng không bị dịch chuyển theo phương khác trong quá trình chuyển động. Ray dẫn hướng của cánh cửa loại dùng cho cửa luồn hoặc cửa cuốn trong các bãi xe hoặc trong các kho chứa hàng có thể là thép góc hoặc các thanh thép hình chữ U. Các loại cửa kéo thường dùng các loại ray dẫn hướng chuyên dụng, có độ chính xác chế tạo cao và các bề mặt tiếp xúc với cửa thường phải đảm bảo theo đúng tiêu chuẩn quy định. 2.2.5. Dây đai * Dây đai có tác dụng truyền động và đổi chiêu của lực kéo.Các con lăn chính được gắn chặt với dây đai như hình 2.3 Con lăn chính Gắn cố định Gắn với trục động cơ Dây đai Đường ray Hình 2.3. Cơ cấu chuyền động cửa Dây đai có tác dụng truyền động và đổi chiêu của lực kéo.Các con lăn chính được gắn chặt với dây đai Dây đai để treo cánh cửa thường được làm bằng những vật liệu đặc biệt vừa có thể chịu được lực kéo của động cơ vừa có thể đủ bền để chịu được trọng lượng của cánh cửa. Đối với những loại cửa dùng trong các siêu thị , nhà hàng, nhà khách chính phủ v.v…Thường làm bằng kính trọng lượng của hai cánh cửa khoảng 20 kg. Còn đối với các loại cửa dùng trong các bãi đỗ xe hay trong các kho chứa hàng thì thường làm bằng xích để kéo cửa theo phương thẳng đứng, do đó xích thường được chế tạo theo đúng tiêu chuẩn vừa để đảm bảo độ bền cơ khí, vừa phải đảm bảo chịu được trọng lượng của cánh cửa khi kéo cửa lên. 2.2.6. Pu ly Puly để làm quay dây đai thường làm bằng thép chịu lực, nó có độ cứng, độ bền cơ học, chịu được nhiệt độ và khí hậu của môi trường khi làm việc, không bị cong vênh hay bị vỡ khi làm 2.3. Cảm biến Nguyên lý của cảm biến điều khiển mở đóng cửa. Để nhận biết được có người hay không có người muốn sử dụng cửa, ta phải dùng cảm biến. Đây là một thiết bị quan trọng có tính quyết định đối với hoạt động của cửa tự động. Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng..). Sau đó phát tín hiệu ra truyền tới bộ điều khỉên chương trình hoăc hệ điêu khiển logic. Nó là một thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị do hay trong một hệ thống điều khiển tự động. Có nhiều loại cảm biến như: Cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vị trí và dịch chuyển, cảm biến áp suất... Để thực hiện được yêu cầu: cửa phải tự động mở khi có người thực sự muốn đi qua cửa và phải đóng khi chắc chắn hết người muốn đi qua cửa, ta phải sử dụng một bộ cảm biến phát tín hiệu để xác định có người muốn hay không muốn dùng cửa, tức là cảm biến phải chắc chắn được có người muốn hay không muốn dùng cửa rồi mới tác động. Cảm biến này sẽ hoạt động do sự phát và nhận tín hiệu của chính nó. Nếu có người đứng vào thị trường tín hiệu cảm biến thì có thể xảy ra 2 trường hợp: Một là, người đó tiếp tục đi vào (tức là thực sự muốn đi qua cửa) thì cảm biến sẽ ra lệnh cho tiếp điểm hút nhả hoặc bắt đầu tính đếm thời gian. Ta sẽ thiết kế sao cho tiếp điểm hút nhả được một số lần nhất định (ví dụ 2 – 3 giây) thì sẽ có một lệnh điều khiển làm cho động cơ quay và mở cửa. Hai là, người đó không có ý định đi tiếp chỉ đứng im trong thị trường tín hiệu thì cảm biến sẽ không đếm hút nhả hay tính thời gian mà vãn tiếp tục đóng. Khi cửa mở ra, cảm biến có nhiệm vụ tiếp tục nhận tín hiệu để xem còn ai đi qua cửa nữa không. Nếu còn có người muốn qua thì cửa vẫn phải tiếp tục mở còn nếu đã hết thì cửa phải đóng lại. Cửa được ra lệnh đóng lại khi tiếp điểm không hút nhả nữa và tính thêm một khoảng thời gian trễ dự bị xem có thể người vào chậm hơn người đi trước 2.3.1. Cảm biến hồng ngoại Hình 2.4. Vùng làm việc của cảm biển hồng ngoại. Ta sẽ sử dụng nguyên lý của bộ phát và bộ thu. Trong đó bộ phát phát ra ánh sáng hồng ngoại. Sự xuất hiện của người qua lại trước “cửa tự động” làm chắn nguồn sáng hồng ngoại đó. Sự thay đổi chập chờn của luồng sáng phát ra là tín hiệu cho bộ thu nhận tín hiệu và tín hiệu đó được chuyển hoá thành xung điện và đưa vào mạch điều khiển, ra lệnh điều khiển cửa. Theo phương cách này: việc phát hiện, tiếp nhận tín hiệu và xử lý lệnh điều khiển sẽ được thi hành nhanh, chính xác. Cảm biến này không tác dụng đối với vật tĩnh mà chỉ tác dụng đối với vật động; do đó nếu có người đứng trong vùng ánh sáng mà bộ phát của cảm biến phát ra mà người đó không di động: cửa sẽ không mở Cảm biến hồng ngoại cho phép đo những vật thể có nhiệt độ khác nhau ở môi trường xung quanh trong khoảng vài mét mà không cần tiếp xúc trực tiếp như cảm biến nhiệt độ. Hiện nay, các bộ thu hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Pyrolec Tiric cho phép biến đổi các bức xạ hồng ngoại thành các xung lưỡng cực, gây ra goài của các vật liệu. Bề mặt của điện cực và của chất điện môi cấu tạo cảm biến hình thành một tụ điện. Tín hiệu tạo thành từ cảm biến tỷ lệ với cường độ bức xạ hồng ngoại tác động. Các vật liệu Porelectric loại tinh thể đơn như LiTa03 , LiNb03 , TGS, thường được sử dụng để chế tạo cảm biến thu hồng ngoại. Vật liệu khác như Polyme-PVDF cũng được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ và sử dụng đơn giản. Trong cảm biến thu thường có phản xạ gương cầu, cho phép tập trung tia hồng ngoại và bộ thu đặt ở tiêu cự gương cầu. Căn cứ vào kích thước của cửa ta chọn cảm biến hồng ngoại có các thông số sau: Điện thế làm việc Ub = 4,5V. Tín hiệu ra Ura = 1,1V. Công suất tiêu tán 0,18 m W. Điện trở ra R = 2,2 kΩ. Khoảng cách thu nhận cực đại 2.5 m. 2.3.2. Cảm biến vị trí Các cảm biến vị trí đựơc sử dụng là các rơle từ. Đây là các công tắc với điều khiển đóng ngắt bằng từ trường. Từ trường là nam châm vĩnh cửu được gắn trên cánh cửa. Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo cảm biến vị trí Nguyên lý làm việc: khi có từ trường tác động lên công tắc từ (CTT), công tắc này đóng lại mạch được khép kín nguồn điện đi từ cực dương (+) qua công tắc từ qua điện trở hạn chế R qua Điôt quang (Led) làm nó sáng lên báo hiệu mạch đã hoạt động. Cảm biến này được sử dụng để điều khiển tốc độ và giới hạn dừng khi nó mở và đóng cửa. Cảm biến vị trí và dịch chuyển: Cảm biến này lấy sự dịch chuyển làm tín hiệu. Có hai phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển được dùng trong cảm biến vị trí và dịch chuyển. Cách 1: ứng với mỗi dịch chuyển cơ bản cảm biến sẽ phát ra một xung. Khi đó sự dịch chuyển và vị trí được xác định bằng cách đếm xung phát ra. Cách này được dùng để nhận biết tín hiệu thay đổi tốc độ động cơ chứ không dùng để đóng mở động cơ. Cách 2: Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của phần tử trong cảm biến liên quan với vật mà ta cần đo sự dịch chuyển. Sự thay đổi tín hiệu sẽ cho ta biết độ dịch chuyển của vật thể. Cảm biến này không được dùng để lấy tín hiệu trong hệ thống cửa tự động vì đối tượng di t động với 2 cấp tốc độ khác nhau, để cửa có thể tự động chuyển tốc độ khi tới những vị trí ta đã xác định thì phải dùng cảm biến để nhận biết hành trình của cửa, sau đó sẽ đưa đến lệnh điều khiển cho cửa chuyển tốc độ. Khi có người thực sự muốn đi qua cửa, cảm biến xác định trong một khoảng thời gian ngắn (2-3 giây từ khi người đi vào thị trường tín hiệu của cảm biến), cảm biến sẽ phát một tín hiệu đến bộ xử lý trong mạch điều khiển. Mạch điều khiển xử lí tín hiệu này rồi ra lệnh đến khâu chấp hành điều khiển động cơ truyền động. Động cơ quay, qua cơ cấu dây đai truyền động cho con lăn, kéo cửa ra. Ban đầu, cửa mở nhanh với vận tốc lớn v1 (điều này là cần thiết vì ở khâu cảm biến xác định đã tốn một khoảng thời gian nên việc mở nhanh cửa sẽ bù trừ thời gian đã bị chậm). Khi gần hết hành trình mở cửa sẽ nhận được một tín hiệu tác động và giảm tốc độ xuống v3 để đảm bảo cửa dùng đúng chỗ và tránh va chạm cơ khí. Khi cửa đã mở ra hết tín hiệu phải đảm bảo không có điện tiếp tục cấp vào động cơ vì nếu không sẽ làm động cơ cháy. Khi cảm biến đã xác định chắc chắn hết người đi qua cửa, động cơ sẽ hoạt động và quay với chiều ngược lại khi truyền động cho cửa. Cửa sẽ được đóng lại qua 3 cấp tốc độ. Ban đầu, cửa đóng rất nhanh với vận tốc v1, theo đúng yêu cầu chung của cửa tự động mà ta đã nêu. Sau khi đi được một hành trình xác định hoặc một thời gian nhất định (khoảng 1/3 hành trình đóng) thì cửa sẽ nhận được một tín hiệu tác động giảm tốc độ xuống vận tốc v2 (v1>v2>v3). Lí do chính của việc giảm tốc độ này là để không tạo cho người có cảm giác không an toàn. Khi gần hết hành trình đóng, cửa sẽ nhận được một tín hiệu tác động khác ra lệnh giảm tốc lần nữa xuống vận tốc v3 để cửa dừng chính xác tránh va đập. Sau khi cửa đã đóng lại hoàn toàn thì phải dừng cấp điện cho động cơ để tránh gây cháy động cơ. Giả sử cửa đang đóng mà có người đi vào thì cửa phải mở ra ngay mà không cần thời gian xác định cảm biến điều khiển đóng mở để người vào kịp thời. Để nhận biết được có người hay không có người muốn sử dụng cửa, ta phải dùng cảm biến. Đây là một thiết bị quan trọng có tính quyết định đối với hoạt động của cửa tự động. Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng..). Nó là một thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị do hay trong một hệ thống điều khiển tự động. Có nhiều loại cảm biến như: Cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vị trí và dịch chuyển, cảm biến áp suất... * Phân tích một số loại cảm biến chính sau: Cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất: Hai loại cảm biến này lấy các tín hiệu từ đại lượng nhiệt độ và áp suất. Các đại lượng như nhiệt độ áp suất và áp suất hầu như không liên quan đến việc đi lại của con người qua hệ thống cửa tự động. Vì vậy nên ta không dùng hai loại cảm biến này để lấy tín hiệu điều khiển cửa tự động. Cảm biến vị trí và dịch chuyển: Cảm biến này lấy sự dịch chuyển làm tín hiệu. Có hai phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển được dùng trong cảm biến vị trí và dịch chuyển. Cách 1: ứng với mỗi dịch chuyển cơ bản cảm biến sẽ phát ra một xung. Khi đó sự dịch chuyển và vị trí được xác định bằng cách đếm xung phát ra. Cách này được dùng để nhận biết tín hiệu thay đổi tốc độ động cơ chứ không dùng để đóng mở động cơ. Cách 2: Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của phần tử trong cảm biến liên quan với vật mà ta cần đo sự dịch chuyển. Sự thay đổi tín hiệu sẽ cho ta biết độ dịch chuyển của vật thể. Cảm biến này không được dùng để lấy tín hiệu trong hệ thống cửa tự động vì đối tượng di chuyển là con người đi qua cửa. 2.4. Truyền động trong cửa tự động 2.4.1. Khái quát về truyền động Khâu truyền động trong cửa tự động quyết định lớn đến chất lượng hoạt động của cửa tự động, đặc biệt ở việc thay đổi các cấp tốc độ khi cửa đóng vào hoặc mở ra. Đối với truyền động cửa tự động thì quan trọng nhất là chất lượng điều chỉnh tốc độ và độ phức tạp trong việc điều chỉnh tốc độ. Sở dĩ như vậy là vì cửa tự động hoạt động với 2 cấp tốc độ khác nhau, đồng thời sự thay đổi tốc độ lại diễn ra trong thời gian ngắn (chỉ 1/2 hoặc 1/3 hành trình đóng mở cửa). V1 v 0 M t V1 V2 G1 V2 G2 D1 D2 Hình 2.6. Sơ đồ điều khiển Với yêu cầu trên, trong cửa tự động có thể sử dụng hệ thống khí nén hoặc sử dụng động cơ điện để truyền động cho cửa. Cả hai loại đều có khả năng truyền động cho cửa tự động đúng yêu cầu, tuy nhiên chúng cũng có những ưu nhược điểm khác nhau nên được ứng dụng ở những trường hợp khác nhau. Riêng đối với động cơ điện, người ta cũng có thể chọn nhiều loại động cơ: Động cơ không đồng bộ 3 pha. Động cơ xoay chiều 1 pha. Động cơ 1 chiều. 2.4.2. Động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong thực tế. Ưu điểm nỗi bật của động cơ này là: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha.Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ lại khó khăn hơn so với động cơ điện một chiều. Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ đươc cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như momen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Dưới đây là các phương pháp điều khiển tốc độ . * Điều chỉnh điện áp động cơ Momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato , do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. * Điều chỉnh điện trỏ mạch roto. Khi điều chỉnh giá trị điện trở ro to thì momen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ triựơt tới hạn thi tỷ lệ bậc nhất với điện trở. * Điều chỉnh tần số Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện… của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mômen tới hạn Mth, khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen lM. Hình 2.7. Xác định khả năng quá tải về mômen Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stato Rs = 0 thì ta có thể tính được momen tới hạn như sau: (2-1) Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: (2-2) Thay thế (2-1) vào (2-2) và rút gọn ta được: (2-2) Đặc tính cơ gần đúng của máy sản xuất (phụ tải) có thể viết như sau: (2-3) Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp Hình 2.9. Nguyên lý tạo điện áp xoay chiều ba pha Từ (2-3) và (2-2) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về mômen không đổi: (2-4) Hay ở dạng đơn vị không tên: Các bộ biến đổi tần số - điện áp Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp trên bao gồm bốn khối chức năng chính: nguồn điện một chiều NMC, mạch lọc F, nghịch lưu độc lập nguồn áp NL và động cơ giá trị điều chỉnh được, nghịch lưu gồm 6 khoá bán dấn S1…S6 và cần 6 van không điều khiển D1… D6. Các khoá ngịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định (xem H.5-16,a) tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn của các khoá là 1800, thời điểm các khoá S1, S3, S5 và S2, S4, S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 1200. Điện áp dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là 1200 và thoả mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hoà. (2-5) k = 1 + 6C; C=0, ±1; ±2… Thành phần điều hoà cơ bản của (2-5) có biên độ: (2-6) và có giá trị hiệu dụng là: (2-7) Giá trị hiệu dụng của chuỗi : (2-8) Biên độ tầng sóng hai bậc k: (2-9) Đồ thị điện áp pha của động cơ có dạng bậc thang, tại thời điểm các khoá chuyển mạch thì điện áp pha có đột biến nhảy cấp, giá trị từng cấp được xác định như trên. Dòng điện của động cơ là nghiệm phương trình vi phân mô tả động cơ được giải ở từng đoank, khi điện áp pha không đổi. Dòng điện có dạng xoay chiều không điều hoà. Xem H2.10. Hình 2.10. Đồ thị dòng điện và khoảng dẫn của các van Các khoá S là các khoá bán dẫn, ở các truyền động công suất nhỏ thường dùng các tranzito, ở các truyền động công suất lớn thường dùng các van tiristo, khi này việc khoá (ngắt) các van được thực hiện bằng các mạch đặc biệt như dùng tụ điện và các van thiristo phụ… Thời gian gần đây sử dụng các van tiristo đặc biệt là các vanm khoá được bằng xung điều khiển (GTO). Hình 2.11. Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong nghịch lưu tần số - điện áp Giá trị điện áp động cơ được điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên độ điện áp một chiều - bằng chỉnh lưu điều khiển hoặc bằng bộ băm xung áp (H.5-H.7,a). Điện áp cũng có thể điều chủnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các khoá X (H.5 - H.7,b), hoặc là bằng điều chế độ rộng các xung áp bằng chính nghịch lưu (H.5 - H.7, c, d). Phương pháp sau đây được sử dụng rộng rãi nhất là ở các truyền động công suất nhỏ, do có ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh đj diện áp, vừa là “sin hoá” điện áp đặt vào động cơ. Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp, phương pháp điều chế độ rộng xung có thể làm triệt tiêu các sóng hài bậc cao. * Điều chỉnh từ thông Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu và tuổi thọ của động cơ không đồng bộ. Trong chế độ này, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số (5-61) là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông động cơ, trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông. Khi giải đồng thời các phương trình trên ta có thể tìm được quan hệ giữa dòng điện stato và từ thông rôto. (2-10) Trong đó: Tr = Lr/Rr Biểu thức (2-10) có nghĩa là nếu muốn giữ từ thông không đổi yr = yfđm thì dòng điện phải được điều chỉnh theo độ trượt. Sử dụng sơ đồ thay thế và các biểu thức ta có thể chứng minh được rằng: Khi giữ biên độ từ thông rôto không đổi thì vectơ từ thông rôto và vectơ dòng điện rôto luôn vuông góc nhau trong không gian. Mặt khác, do mômen điện từ là tích vectơ của hai vectơ này nên khi chúng vuông góc nhau thì mômen là tích của hai đại lượng. M yr.Ir (2-11) Hình 2.12. Quan hệ IS(wS) khi từ thông là không đổi Điều này cũng có nghĩa là mômen điện từ sẽ tỷ lệ với biên độ dòng điện rôto, giống như quan hệ giữa mômen và dòng điện phần ứng trong động cơ một chiều kích từ độc lập khi từ thông kích từ là định mức. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính điều chỉnh của hệ kín như trên H.2-12. Cấu trúc sơ đồ điều chỉnh từ thông như trên H.2.12. chỉ là điều chỉnh gián tiếp từ thông, thông qua điều chỉnh điện áp của động cơ, vì vậy mà độ chính xác điều chỉnh thấp. Phương pháp điều chỉnh cả độ lớn (biên độ) và vị trí (pha) của dòng điện giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần xen - xơ từ thông. Véc tơ từ thông rôto quy đổi quay đồng bộ với từ trường quay, trong khi chuyển vị các véc tơ và các phương trình, coi véctơ từ thông trùng với một trục toạ độ - trục ox - như trên H.2.13 Góc g mang thông tin về vị trí vectơ từ thông, do thành phần isx nằm cùng phương với từ thông, do đó điều chỉnh từ thông cũng chính là điều chỉnh isx. Thành phần isy nằm vuông góc với vectơ từ thông nên nếu giữ biên độ từ thông không đổi thì thành phần isy sẽ tỷ lệ với dòng điện rôto, và do đó tỷ lệ với mômen Hình 2.13. Điều chỉnh tần số - điện áp với từ thông không đổi Hình 2.14. Chuyển vị các trục toạ độ điện từ. Vectơ dòng điện stato có các thành phần được xác định từ hình 5-20. isa = isx. cosg - isy.sing (2.12) isb = isx. sing - isy.cosg Khi giữ từ thông không đổi về điều chỉnh mômen thì do đặc tính cơ có độ cứng hữu hạn nên tốc độ trượt ws = wo - w cũng thay đổi tỷ lệ với mômen, còn đầu mút của vectơ dòng điện is sẽ trượt dọc theo đường thẳng isx = const. Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh vị trí và biên độ véctơ dòng điện được xây dựng. Hình 2.15. Điều chỉnh vectơ dòng điện động cơ trong hệ thống biến tầng nguồn áp Các bộ điều chỉnh tốc độ (Rw) và dòng điện (Rl) có cấu trúc và chức năng như đã mô tả ở các phần trước. Bộ biến đổi tần số điện áp BBT là loại biến tần - điện áp điều chỉnh riêng rẽ từng pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung, SP là xenxơ xác định vị trí gr của rôto. Khối tính toán chuyển vị T1 thực hiện tính toán các phương trình chuyển vị (5-69), trong đó góc g được xác định như sau: g= gr + ũws.dt = gr + Km.ũisy .dt. Khối chuyển vị T2 (H.5-20b) thực hiện chuyển vị ngược từ hệ toạ độ hai pha (a, b, O) sang hệ ba pha (a, b, c) tính được: ia = isa (2-13) 2.4.3. Động cơ điện một chiều Mặc dù ta không thể lấy được điện 1 chiều trực tiếp từ lưới điện nhưng nguồn điện xoay chiều 1 pha rất rộng rãi. Ta có thể sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển năng lượng xoay chiều 1 ._.