Đồ án Thiết kế hệ thống đệm từ trường

[Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 1 1 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Báo Cáo Đồ án Điện Tử ĐIện Hình Thiết kế hệ thống đệm từ trường GVHD: TS.NGYÊN DUY CƯƠNG SVTH: 1: Nguyễn Tiến Hùng: 01689948823 (hung2020success@gmail.com) 2: Trần Văn Ninh: 0936595818 (tuanninh1989bn@gmail.com) Mục tiêu của đồ án: 1: Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của đệm từ trường. Nó đang được ứng dụng ở đâu, ưu nhược điểm của hệ thống đệm từ trường, hướng phát triển trong tương lai. 2: Thiết kế được một hệ thống đệm từ trường nhỏ, phục vụ cho thí nghiệm, kiểm chứng lại lý thuyết đã tìm hiểu. 3: Hướng phát triển cho tương lai. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 2 2 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: I : ý tưởng thiết kế lên hệ thống đệm từ trường. Ta đã biết khi đặt hai cực của hai nam châm vĩnh cửu lại gần nhau nếu cùng cực tính thì hai nam châm sẽ đẩy nhau, nếu hai cực tính khác nhau thì chúng sẽ hút nhau. Từ ý tưởng đó nếu ta thay một nam cham vĩnh cửu bằng một nam châm điện còn nam châm vĩnh cửu kia vẫn giữ nguyên. Lỳc này ta điều chỉnh lực hỳt của nam chõm điện, sao cho nam chõm vĩnh cửu lơ lửng ở vị trớ mà ta muốn nú nằm tại đú. Với phương pháp trên ta có thể giữ cho một vật nào đó mà ta gắn vào Nam châm vĩnh cửu lơ lửng trên không. Mà không cần phải giữ. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 3 3 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: II : Thiết kế một mô hình đệm từ trường phục vụ cho việc nghiên cứu và kiểm chứng lại lý thuyết. Để thiết kế được một hệ thống đệm từ trường trước tiên ta phải có 2 phần tử. 1 : Nam châm vĩnh cửu: Ta sẽ gắn vật cần lơ lửng lên nam châm vĩnh cửu nhờ lực hút giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sẽ làm cho vật đó lơ lửng theo. 2: Nam châm điện: Nam châm điện là phần tạo ra từ trường và tạo ra một lực hút tác động vào nam châm vĩnh cửu, giữ cho vật cần lơ lửng không bị rơi. Ta cho Nam châm điện và Nam châm vĩnh cửu tương tác với nhau. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 4 4 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Sau Khi hoàn thiện và trang trí thêm ta có được hệ thống như bên.  Khối Nam Châm Điện + Sensor đặt trên cùng có tác dụng tạo lực hút và xác định vị trí của nam châm vĩnh cửu.  Nam châm vĩnh cửu được gắn trực tiếp vào vật cần Lơ Lửng.  Mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống được đặt bên dưới cùng, vừa hạn chế ảnh hưởng của từ trường tới mạch, vừa tận dụng làm đế cho hệ thống luôn. III: Thiết Kế Mạch Điện Thực Hiện Theo Yêu Cầu Đề Ra.  Yêu Cầu Của Hệ Thống Là:  Vật cần lơ lửng phải đứng yên, lơ lửng trên không mà không câng giữ bằng một vật hoặc dây nào.  Nam châm điện và nam châm vĩnh cửu có một khoảng cách gần như không đổi. 1. ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện:  Ta tính toán khoảng cách giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sao cho hợp lý, sau đó giữ cho khoảng cách đó không đổi trong quá trình hệ thống hoạt động, nếu nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao hơn so với vị trí ta mong muốn thì tăng lực hút của nam châm điện lên dẫn đến nam châm điện sẽ kéo nam châm vĩnh cửu về vị trí ta đặt. Khi nam châm vĩnh cửu lên cao hơn vị trí độ cao ta mong muốn thì giảm lực hút của nam châm vĩnh cửu đi để nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao xuống vị trí ta mong muốn. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 5 5 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.1: Dựa trên báo cáo khoa học của “Ph.D James Cicon” (1) (BUILD A MAGNETIC BALL LEVITATOR - 1996)  Trong báo cáo đó Tiến Sĩ James Cicon có đưa ra một hệ thống kín sử dụng PID để điều khiển cho Nam châm điện, sử dụng phản hồi nhờ cảm biến IR.  Với sơ đồ cấu trúc như trên có thể giải thích về nguyên lý hoạt động như sau.  Khối “Control Input” Ta đặt tín hiệu điều khiển, lượng đặt tại khối này.  Khối “PID” có tác dụng đưa ra tín hiệu điều khiển cho “Actuator” Thiết bị chấp hình (ở đây là Nam Châm điện), và nhận tín hiệu sai lệch phản hồi về từ Sensor điều chỉnh sao cho đầu ra tiến đến lượng đặt.  Khối “Actuator” Là Nam Châm Điện khối này có tác dụng tạo ra từ trường, tạo ra một lực hút tác động vào Nam Châm vĩnh cửu giúp cho Nam Châm vĩnh cửu giữ được vị trí mong muốn.  Khối “Sensor” ở thiết kế của “Ph.D James Cicon” Ông dùng một cặp thu phát tín hiệu hồng ngoại để phát hiện Vị trí của nam châm vĩnh cửu. Khi Nam Châm vĩnh cửu đạt đến vị trí mà ta đặt thì nó sẽ có tín hiệu phản hồi đưa về Khối PID khối này giảm hoặc ngừng đưa tín hiệu đến Khối “Actuator” [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 6 6 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: làm cho Nam Châm vĩnh cửu không tiến đến gần quá so với vị trí cần đặt.  Giải Thích Nguyên Lý Hoạt Động Của Sơ Đồ Này:  Bắt đầu khởi động hệ thống lên, ta chưa đưa Nam Châm vĩnh cửu (Có gắn vật cần giữ Lơ Lửng) vào vị trí cần Lơ Lửng. Lúc này không có tín hiệu phản hồi đưa về từ “Sensor” làm cho bộ “PID” lúc này cấp tín hiệu đến Khối “Actuator” làm cho nam châm vĩnh cửu hoạt động mạnh nhất và phát ra từ trường để đợi hút Nam Châm vĩnh cửu vào.  Khi ta đưa Nam Châm vĩnh cửu vào khu vực cần Lơ Lửng lúc này Nam Châm vĩnh cửu bị Nam Châm điện hút vào gần nó và tiến đến khu vực Lơ Lửng, nếu Nam Châm vĩnh cửu chưa tiến đến đúng vị trí đặt thì “Sensor” vẫn chưa đưa phản hồi về bộ “PID” lúc này Nam Châm Điện vẫn được cấp điện và tiếp tục hút Nam Châm Vĩnh Cửu về phía nó. Nếu Nam Châm vĩnh cửu đã tiến đến khu vực cần Lơ Lửng hoặc tiến đến gần hơn so với vị trí đặt thì “Sensor” sẽ đưa tín hiệu phản hồi về Khối “PID” khối này sẽ điều chĩnh tín hiệu đưa vào Nam Châm điện làm cho lực hút giảm đi và làm cho nam châm vĩnh cửu hạ thấp độ cao xuống sơ với vị trí trươc.  Cứ tiếp tục như thế Nam Châm vĩnh cửu sẽ cân bằng tại vị trí ta cần đặt và ổn định tại đó, kéo theo vật cần Lơ Lửng cũng Lơ Lửng theo. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 7 7 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.2: Thiết kế mạch điện tử làm việc theo sơ đồ hệ thống trên. III.2.1: Mạch Nguyên Lý: Mạch gồm các khối sau: - Khối Nguồn: o Điện áp từ biến áp đc đưa qua bộ chỉnh lưu cầu để chuyển thành điện áp một chiều, và đc lọc bằng 2 tụ điện cho điện áp bằng phẳng hơn và loại thành phần bặc cao đi. Tại đây ta được điện áp 30VDC. o 30VDC đưa vào IC LM7812 đầu ra ta nhận đc điện áp 12VAC ổn áp để đưa vào Sensor. - Khối PID: o Ta sử dụng IC LM358 (Gồm 2 IC khuếch đại thật toán và không cần sử dụng nguồn đối xứng) o Ta kết nối tụ điện, điện trở, biến trở để được mạch PID. - Khối Khuếch đại + Cách ly tín hiệu điều khiển với mạch lực: o Ta sử dụng IRF540 để khuếch đại, đóng cắt, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. - Khối Sensor: o Ta sử dụng Sensor A3121 Hall-Effect Sensor. IC này hoạt động dựa vào từ trường, khi có từ trường của nam châm vĩnh cửu tác động vào Sensor thì đầu ra Out sẽ xuất một tín hiệu dương đến bộ PID. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 8 8 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.2.1: Mạch In (PCB). III.2.3: Thiết kế phần khung và sắp xếp các khối sao cho hệ thống hoạt động tốt nhất. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 9 9 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: IV: Hướng Phát Triển Trong Tương Lai : Hiện nay tại nhật bản họ đã phát triển hệ thống tầu điện sử dụng đệm từ trường, đệm từ trường giúp cho tốc độ của tầu được tăng lên vì đệm từ trường hạn chế ma sát giữa tầu và vật khác, với đệm từ trường nâng tầu lơ lửng trên không khí dẫn đến chỉ còn mỗi ma sát giữa tầu và không khí là làm giảm tốc độ của tầu. Nhờ có đệm từ trường mà tốc độ của tầu điện có thể 499Km/h (4) và chạy êm hơn, phát ra ít tiếng động hơn tầu bánh xe bình thường. Sử dụng đệm từ trường ta không phải quan tâm đến vấn đề bánh xe và thời tiết để tầu hoạt động, ngoài ra đệm từ trường còn giảm tốc và điều khiển được tốt hơn so với tầu bánh xe thông thường. [Nguyễn Tiến Hựng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 10 10 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Tài Liệu Tham Khảo: (1) (2) Build a Magnetic Ball Levitator – Ph.D James Cicon – 1996 (3) (4) nghe-dem-tu-truong-moi/201212/155887.vgp