Đồ án Kỹ thuật: truyền động điện cửa tự động cho thang máy sử dụng động cơ

Dự án Truyền động điện cửa tự động cho thang máy sử dụng động cơ 1 chiều áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho điện - điện tử

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Sơn
• Người hướng dẫn: T.S Đỗ Hoàng Ngân Mi
• Trường học: Đại Học Đà Nẵng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Khoa Điện - Điện Tử
• Chuyên ngành: Truyền Động Điện
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Cho Cửa Tự Động Thang Máy
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Hệ Thống Truyền Động Điện Cửa Tự Động Thang Máy

Truyền động điện cửa tự động là một hệ thống quan trọng trong các tòa nhà hiện đại, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng có thang máy. Hệ thống này sử dụng các linh kiện điện tử và động cơ để tự động mở và đóng cửa thang máy một cách an toàn và hiệu quả. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế hệ thống truyền động cho cửa tự động thang máy, áp dụng các kiến thức về điều khiển tốc độ, tính toán công suất động cơ và lựa chọn các thiết bị phù hợp. Mục đích chính là xây dựng một mô hình hoạt động ổn định, an toàn và tiết kiệm năng lượng. Qua đó, người học có thể nắm vững các nguyên lý cơ bản của hệ truyền động điện và ứng dụng vào thực tế.

1.1. Định Nghĩa Cửa Tự Động Thang Máy

Cửa tự động thang máy là cơ cấu cửa được trang bị hệ thống điện tử và cơ khí để tự động mở khi có người tiếp cận và đóng sau khi hành khách ra vào. Hệ thống sử dụng cảm biến PIR (Pyroelectric Infrared Sensor) để phát hiện chuyển động người và đưa tín hiệu điều khiển cho động cơ DC thông qua mạch cầu H. Cửa tự động giúp tăng tính an toàn, tiện lợi và hiệu quả vận hành của thang máy.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản

Nguyên lý hoạt động của hệ truyền động cửa tự động dựa trên việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Khi cảm biến phát hiện chuyển động, tín hiệu được gửi đến vi điều khiển Arduino, sau đó điều khiển mạch cầu H L298N để cung cấp điện áp cho động cơ. Hộp số giảm tốc giảm tốc độ vòng quay để tạo momen đủ lực kéo cửa. Bộ điều khiển PID đảm bảo tốc độ mở/đóng ổn định và an toàn.

II. Lựa Chọn Động Cơ Và Tính Toán Công Suất

Lựa chọn động cơ điện phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất của hệ thống truyền động cửa tự động. Quá trình lựa chọn cần xem xét nhiều yếu tố như tải trọng cửa, tốc độ mong muốn, momen cần thiết và công suất. Theo đề tài, nhóm đã chọn động cơ DC Meanwell NPD-1700-24 với công suất 20W, điện áp 24V. Tính toán xác định rằng tải trọng tối đa của cửa là khoảng 15-20kg, cần momen quay khoảng 1,5-2 Nm. Kết hợp với hộp số giảm tốc tỷ lệ 1:50, hệ thống đạt được momen đủ để kéo cửa mượt mà. Công suất động cơ được xác định qua công thức P = Mω, đảm bảo không quá tải và tiết kiệm điện.

2.1. Tính Toán Tải Trọng Và Momen Cần Thiết

Tải trọng tối đa của cửa thang máy được xác định bằng cân điện tử, trong đề tài khoảng 18kg. Momen cần thiết được tính từ công thức M = F×r, trong đó F là lực cần thiết để kéo cửa và r là bán kính puli. Sau tính toán, momen cần thiết khoảng 1,8 Nm. Hộp số giảm tốc với tỷ số 1:50 sẽ nâng momen động cơ từ 0,04 Nm lên 2 Nm, đủ để vận hành ổn định.

2.2. Kiểm Tra Điều Kiện Hoạt Động Động Cơ

Sau khi chọn động cơ DC 24V/20W, cần kiểm tra hai điều kiện quan trọng: kiểm nghiệm phát nóng và kiểm nghiệm quá tải. Kiểm nghiệm phát nóng đảm bảo nhiệt độ động cơ không vượt quá 80°C trong điều kiện hoạt động liên tục. Kiểm nghiệm quá tải xác nhận rằng dòng điện không vượt quá 2A khi có tải cực đại. Hệ thống bảo vệ sử dụng Aptomat RCBO 2P 32A để ngắt mạch khi có sự cố.

III. Thiết Kế Mạch Điện Tử Công Suất Và Điều Khiển

Mạch điện tử công suất là trái tim của hệ thống truyền động điện cửa tự động, chịu trách nhiệm chuyển đổi điện áp DC từ nguồn tổ ong 24V thành dòng điện phù hợp cho động cơ. Mạch gồm ba phần chính: bộ chỉnh lưu (đã được cung cấp từ nguồn DC), bộ lọc để loại bỏ nhiễu, và mạch cầu H L298N để điều khiển chiều quay động cơ. Bộ lọc sử dụng tụ điện 2200µF/50V để làm phẳng sóng điện áp. Mạch cầu H nhận tín hiệu PWM từ vi điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ. Ngoài ra, bộ điều khiển PID được lập trình trên Arduino để điều khiển vòng kín, đảm bảo tốc độ mở/đóng cửa ổn định.

3.1. Thiết Kế Bộ Lọc Và Chỉnh Lưu

Bộ lọc LC được thiết kế với tụ điện 2200µF/50V và cuộn cảm để làm giảm gợn sóng (ripple) xuống dưới 5%. Điều này rất quan trọng để tránh làm hư hỏng các linh kiện nhạy cảm như vi điều khiển và encoder. Bộ chỉnh lưu sử dụng cầu diode 4 điểm nếu cần chuyển đổi AC sang DC, nhưng trong trường hợp này sử dụng nguồn DC trực tiếp.

3.2. Bộ Điều Khiển PID Vòng Kín

Bộ điều khiển PID được triển khai trên vi điều khiển Arduino Uno R3 để điều chỉnh tốc độ động cơ theo tín hiệu phản hồi từ encoder E6B2-CWZ6C. Công thức điều khiển: U = Kp×e + Ki×∫e + Kd×de/dt. Các thông số Kp, Ki, Kd được điều chỉnh để đạt được tốc độ mong muốn khoảng 30-50 rpm sau giảm tốc. Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng để tối ưu hóa các tham số.

IV. Cảm Biến Bảo Vệ Và Ứng Dụng Thực Tế

Hệ thống truyền động cửa tự động yêu cầu các cảm biến chất lượng cao để đảm bảo hoạt động an toàn và tin cậy. Cảm biến PIR HC-SR501 phát hiện chuyển động người với phạm vi 7m và độ trễ có thể điều chỉnh từ 5-300 giây. Cảm biến dòng điện ACS712-5A theo dõi dòng điện qua động cơ, cho phép phát hiện tình trạng quá tải hoặc kẹt cửa. Encoder E6B2-CWZ6C cung cấp phản hồi tốc độ cho bộ điều khiển PID. Các công tắc hành trình tại vị trí mở/đóng tối đa giúp bảo vệ cơ cơ. Aptomat RCBO 2P 32A bảo vệ toàn bộ hệ thống khỏi ngắn mạch và quá tải. Trong quá trình thực thi, hệ thống được kiểm tra với tải trọng thực tế khoảng 18kg, kết quả cho thấy cửa mở/đóng mượt mà trong 3-5 giây.

4.1. Các Cảm Biến Sử Dụng Trong Mô Hình

Cảm biến PIR HC-SR501 có độ nhạy cao, tiêu thụ điện 65mA, thích hợp cho ứng dụng cửa tự động. Cảm biến dòng ACS712 cung cấp đầu ra analog 0-5V tương ứng dòng 0-5A, cho phép vi điều khiển phát hiện bất thường. Encoder quang học có độ phân giải 2000 xung/vòng, sau giảm tốc 1:50 được 40 xung/vòng của trục cửa, đủ để điều khiển tốc độ chính xác.

4.2. Hệ Thống Bảo Vệ Và An Toàn

Hệ thống bảo vệ bao gồm aptomat tự động RCBO cấp chính ngắt khi dòng vượt 32A, công tắc hành trình cơ học tại hai đầu cửa ngăn chặn quá trình, và giám sát dòng điện qua cảm biến ACS712. Khi phát hiện kẹt cửa (dòng điện bất thường), hệ thống lập tức dừng động cơ và báo động. Thiết kế này đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo vệ linh kiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG. - Trong thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày nay, việc ứng dụng các hệ thống tự động vào đời sống sinh hoạt và sản xuất đang trở thành xu hướng tất yếu. Một trong những ứng dụng phổ biến đó là hệ thống cửa đóng mở tự động, góp phần nâng cao mức độ tiện nghi, an toàn và hiện đại cho các công trình dân dụng, cơ quan, bệnh viện, siêu thị và nhà máy. Hệ thống cửa tự động giúp giảm thiểu thao tác thủ công, đặc biệt hữu ích trong các môi trường đòi hỏi sự vệ sinh cao (như bệnh viện), hoặc cần quản lý ra vào hiệu quả (như văn phòng và khu công nghiệp).

Ngoài ra, việc ứng dụng cảm biến chuyển động, vi điều khiển và cơ cấu chấp hành trong hệ thống cửa còn tạo điều kiện thuận lợi để sinh viên nghiên cứu, học tập và thực hành các kiến thức về tự động hóa, điện – điện tử và lập trình nhúng. Đề tài "Cửa tự động" được thực hiện với mục tiêu thiết kế và chế tạo một mô hình cửa hoạt động ổn định, sử dụng cảm biến để phát hiện đối tượng, điều khiển đóng mở hợp lý và đảm bảo an toàn trong vận hành. Bên cạnh đó, đề tài cũng hướng đến tính tiết kiệm năng lượng, dễ lắp đặt và chi phí thấp, phù hợp với các ứng dụng thực tế trong môi trường dân dụng và công nghiệp quy mô nhỏ.1 Lý do lựa chọn đề tài - Như chúng ta đã biết, ngày nay nước ta đang trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nên ngành công nghiệp có một vai trò rất quan trọng góp phần thúc đẩy vào sự phát triển của cả nền kinh tế. Vì thế việc ứng dụng công nghệ mới vào sản xuất là một điều tất yếu của xu thế phát triển hiện tại.

Điều khiển tự động là một hệ thống được áp dụng rất nhiều, trong các nhà máy, công ty sản xuất. Bởi vậy mà động cơ điện ngày càng được ứng dụng rất rộng rãi. - Cửa tự động hiện nay xuất hiện rộng rãi tại các trung tâm thương mại, bệnh viện, siêu thị, nhà hàng, khách sạn và văn phòng… giúp tối ưu hóa luồng di chuyển, đồng thời giảm tiếp xúc trực tiếp – điều đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hậu đại dịch. Hệ thống cửa hoạt động nhờ tích hợp các thiết bị cảm biến thông minh cùng bộ điều khiển, giúp tự động đóng/mở khi phát hiện người.

- Chính vì vậy, việc nghiên cứu và thiết kế mô hình truyền động cho cửa tự động thang máy không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ, hệ thống điều khiển – cơ điện, mà còn rèn luyện tư duy lập trình, phân tích kỹ thuật và khả năng tích hợp linh kiện. Đây là một đề tài thiết thực, phù hợp với xu thế phát triển công nghệ hiện nay, và là lựa chọn có ý nghĩa trong quá trình học tập và nghiên cứu của nhóm chúng em. 8 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI 1.2 Nội dung đề tài - Trong phạm vi đồ án này, nhóm em xin trình bày sơ lược về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của mô hình và kết cấu và phương pháp hoạt động của cửa tự động - Việc xây dựng mô hình cửa tự động là một đề tài không mới, tuy nhiên việc nghiên cứu, tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế sẽ giúp sinh viên nắm vững hơn các kiến thức đã học trong nhà trường, từ đó phát triển tư duy kỹ thuật và khả năng giải quyết vấn đề. Nội dung nghiên cứu chính của đề tài bao gồm:  Tìm hiểu cơ chế hoạt động của cửa tự động.

 Phân tích sơ đồ nguyên lý điều khiển và phần cơ cấu truyền động.  Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển để điều khiển đóng/mở cửa.  Phát triển tư duy logic và khả năng làm việc với các cảm biến  Học cách thiết kế và xây dựng mô hình thực tế kết hợp giữa phần cứng và phần mềm.  Tìm hiểu ứng dụng thực tế của cửa tự động trong đời sống như: cửa siêu thị, cửa văn phòng, cửa bệnh viện… nhằm hiểu rõ hơn về yêu cầu an toàn và hiệu quả vận hành.3 Nguồn tư liệu - Dựa vào mục đích tìm hiểu và đối tượng nghiên cứu, trong quá trình thực hiện, đề tài sử dụng nguồn tư liệu như sau: * Các tài liệu kỹ thuật về cấu trúc, nguyên lý hoạt động của động cơ.

* Các tài liệu về trang thiết bị điện tử. * Tài liệu về lập trình Arduino. * Mô phỏng proteus, matlab.4 Sơ bộ tìm hiểu về cửa tự động. Cửa tự động là gì ? - Hiểu theo cách đơn giản nhất, cửa tự động là loại cửa được tích hợp thêm các thiết bị cảm biến và hệ thống điện để cửa có thể tự động đóng mở.

Hoạt động đóng - Mở tự động này được thiết lập dựa trên chuyển động ra vào của con người hoặc đồ vật. - Hiện nay trên thị trường tồn tại rất nhiều những mẫu kiểu tự động như: - Cửa trượt tự động (Automatic Sliding Doors) - Cửa mở cánh tự động (Automatic Swinging Doors) - Cửa gấp cánh tự động (Automatic Folding Door) Cửa xoay tự động (Automatic Revolving Doors) 1. Tìm hiểu chi tiết về cấu tạo của cửa tự động. Cửa tự động được chia ra làm nhiều loại với hình thức và loại cánh cửa khác nhau để phù hợp với yêu cầu công năng của từng công trình.

Tuy nhiên về cốt lõi, 9 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI cấu tạo cơ bản của cửa tự động lại được chia thành 2 nhóm chính là cửa trượt và cửa xoay. Nhưng mà đề tài hôm nay chúng ta sẽ được phép tìm hiểu về cửa trượt tự động.  Cấu tạo: nói về cửa trượt tự động, có rất nhiều kiểu dáng hoạt động khác nhau nhưng trên cơ bản đều bao gồm các bộ phận sau:  Ray trượt, nắp (Rail and Cover, Transom)  Bo mạch điều khiển (controller)  Động cơ điện (motor)  Dây đai truyền động (Timing belt)  Pulley không tải (Idler Pulley)  Bộ tai treo bánh xe  Cảm biến (Sensor)  Con chặn cửa (Door Stopper)  Công tắc hành trình  Biến thế nguồn Hình 1.1 : Các bộ phận cấu tạo của cửa tự động 1. Nguyên lí hoạt động của cửa tự động.

Cửa tự động hồng ngoại cảm biến mắt thần: Cửa sẽ mở ra khi mắt thần cảm nhận được tia hồng ngoại từ nguồn nhiệt đang di chuyển đến gần (chỉ cần là người hoặc con vật đều là nguồn nhiệt) 10 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI Hình 1.2 : Nguyên lý hoạt động của cửa tự động. Một số loại cửa tự động hiện nay. Hiện nay có rất nhiều loại cửa tự động: cửa kéo, cửa mở, cửa cuốn, cửa trượt…Nhưng chúng thường được sản xuất ở nước ngoài và bán tại Việt Nam với giá thành rất cao. Vì thế chúng không được sử dụng rộng rãi.

Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam rất là lớn về số lượng và chủng loại.3: Cửa mở  Loại cửa này có ưu điểm: Dễ lắp đặt và thay thế, Tiện lợi và hiện đại, Độ an toàn cao, Độ kín cao, chống bụi và giữ nhiệt tốt, nhược điểm: Chiếm nhiều không gian mở, Giá thành cao hơn cửa thông thường, Cần bảo trì thường xuyên 11 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI b) Cửa cuốn.4: Cửa cuốn  Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất rất nhỏ. Loại cử này thường được sử dụng cho gara oto. Nó có tính tinh tế khá cao vì không mấy khó khan khi làm được loại cử này. Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và rất dễ vị hỏng hơn là các loại cử khác.

c) Cửa kéo  Loại cửa này còn khá lạ ở nước ta, với kết cấu đơn giản một động cơ được gắn cố với trần nhà. Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây.  Ưu điểm: đơn giản nhưng hiệu quả, cách cửa chắc  Nhược điểm: động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần pải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cửa. Vì vậy trong thực tế người ta ít dùng loại cửa kéo này do nhược điểm trên có thể sẻ gây nguy hiểm cho người sử dụng.5: Cửa kéo 12 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI d) Cửa trượt  Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh cố định cho phép cánh cửa có thể trượt qua lại.

Cửa trượt có nhiều loại, tùy thuộc vào hình dạng rãnh trượt như rãnh thẳng thì là loại cửa chuyển động tịnh tiến, rãnh tròn thì là loại cửa chuyển động xoay tròn. Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn, sân bay, nhà ga, bệnh viện…Cửa này có ưu điểm là kết cấu nhẹ nhàng tạo cảm giác thoáng đạt, thoải mái và lịch sự. Loại cửa này có thiết kế khá dễ dàng, có thể nhận biết được người, máy móc có thể đi qua. Loại cửa này ở nước ta được dùng khá là phổ biến.6: Cửa trượt 1.5 Yêu cầu của mô hình.

 Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và vận chuyển.  Hệ thống cơ khí hoạt động ổn định, truyền động mượt mà, không bị kẹt hoặc rung lắc.  Hệ thống điện và điều khiển hoạt động chính xác, đúng theo sơ đồ thiết kế ban đầu.  Cửa đóng/mở đúng thời điểm, phản hồi tốt với tín hiệu từ cảm biến.

 Tích hợp cảm biến hoạt động hiệu quả, phát hiện người nhanh và chính xác.  Giao diện điều khiển đơn giản, dễ sử dụng, phù hợp cho việc trình diễn hoặc thử nghiệm.  Tiết kiệm năng lượng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng. 13 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: T.s ĐỖ HOÀNG NGÂN MI  Hệ thống mô hình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài về kỹ thuật, chức năng và tính thực tiễn.1 Yêu cầu về chương trình chung.

- Cửa phải tự động mở khi có người ra vào, và phải tự động đóng khi không có người đi lại. - Cửa thiết kế để có thể đóng mở một cách thông minh. - Khi cửa đang đóng lại, nếu lại có tín hiệu người thì cửa lại lập tức mở ra và khi không phát hiện người thì tự động quay về trạng thái đóng. - Dùng kỹ thuật vi điều khiển để viết chương trình hoạt động cho cửa.2 Yêu cầu về cơ khí.

- Yêu cầu của mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt động, phải chắc chắn và gọn gàng .