THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (PBL2) ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY Trợ giảng: PHẠM ĐỒN THƠI Sinh viên thực hiện: PHAN HẢI DƯƠNG TRẦN VĂN SANG LÊ MINH SƠN ĐẶNG VĂN THƯỜNG ĐỒN HUY VŨ Nhóm HP / Lớp: 20N32 / 20TDH2 Ngành: Kĩ thuật Điều khiển Tự động hóa MỤC LỤC: DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1 Tính tốn cấu truyền động .6 1.1.1 Mô hình truyền động cần trục 1.1.2 Tốc độ yêu cầu cần trục 1.1.3 Tính tốn đặc tính tải yêu cầu 1.2 Tổng quan động điện chiều 12 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều .12 1.2.2 Các phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 12 1.3 Phân tích chọn phương án truyền động cho động 13 1.3.1 Các trạng thái hoạt động động .13 1.3.2 Chọn phương án khởi động động 14 1.3.3 Chọn phương án đảo chiều động 14 1.3.4 Chọn phương án hãm dừng động 14 1.3.5 Chọn phương án điều chỉnh tốc độ động .15 1.4 Chọn động hộp số .15 1.5 Kiểm nghiệm động mô Matlab/Simulink 17 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 20 2.1 Tính chọn biến đổi công suất 20 2.1.1 Phân tích chọn biến đổi công suất 20 2.1.2 Chỉnh lưu hình cầu pha không điều khiển .20 2.1.3 Bộ băm xung điện áp chiều sử dụng Mosfet 22 2.1.4 Bộ điều khiển phát xung .23 2.2 Tính chọn phần tử mạch động lực 23 2.2.1 Tính chọn Diode 23 2.2.2 Tính chọn máy biến áp .24 2.2.3 Chọn Mosfet .26 2.2.4 Tính chọn mạch bảo vệ Mosfet 26 2.2.5 Tính chọn mạch lọc 27 2.3 Thiết kế mô biến đổi công suất 28 2.3.1 Chọn biến đổi công suất 28 2.3.2 Thiết kế mô biến đổi công suất 28 CHƯƠNG 3: CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN, CẢM BIẾN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG 32 3.1 Chọn cảm biến 32 Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2 3.1.1 Chọn cảm biến đo dòng điện ACS712 32 3.1.2 Chọn cảm biến đo tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C 600 p/r: 33 3.2 Chọn điều khiển 34 3.3 Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống 36 3.3.1 Sơ đồ mạch phần cứng .36 3.3.2 Các tham số phần cứng hệ 37 3.4 Phân tích hoạt động tồn hệ 38 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN 39 4.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 39 4.1.1 Mơ hình tốn học động 39 4.1.2 Mô hình tốn học biến đổi cơng suất (Bộ băm xung điện áp) 40 4.1.3 Mô hình tốn học hệ truyền động 40 4.1.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 41 4.1.5 Tổng hợp mạch vòng tốc độ .41 4.2 Lập trình thuật tốn điều khiển cho vi điều khiển 42 4.2.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống 42 4.2.2 Lập trình chương trình điều khiển cho vi điều khiển 42 4.2.3 Kiểm nghiệm chương trình điều khiển mơ .42 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 43 5.1 Mơ tồn hệ thống Matlab/Simulink .43 5.1.1 Phân tích phần điều khiển 43 5.1.2 Kết mô 43 5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống 43 Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ hình truyền động cần trục Hình Đồ thị vận tốc góc trống tời theo thời gian Hình Đồ thị vận tốc góc động theo thời gian Hình Đồ thị momen trục động theo thời gian Hình Đồ thị cơng suất theo thời gian 11 Hình Sơ đồ nối dây động chiều kích từ độc lập 12 Hình Đặc tính 13 Hình Đặc tính - điện .13 Hình Đồ thị trạng thái hoạt động động 13 Hình 10 Đồ thị đặc tính hãm tái sinh 14 Hình 11 Đồ thị đặc tính thay đổi điện áp phần ứng .15 Hình 12 Datasheet động RE 65 16 Hình 13 Datasheet hộp số GP 62 A .17 Hình 14 Mơ hoạt động động DC 17 Hình 15 Đồ thị kết mơ động DC 18 Hình Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 20 Hình 2 Đồ thị điện áp dòng điện sau chỉnh lưu 21 Hình Bộ biến đổi xung điện áp chiều dùng Mosfet 22 Hình Điện áp băm xung áp chiều .23 Hình Diode MUR 1610 24 Hình Mosfet FQPF20N60 26 Hình Sơ đồ mạch bảo vệ áp Mosfet .27 Hình Sơ đồ mạch lọc LC 27 Hình Mô điều khiển phát xung 29 Hình 10 Mơ biến đổi cơng suất 29 Hình 11 Đồ thị dịng điện điện áp khởi động đảo chiều 30 Hình 12 Đồ thị dịng điện điện áp thay đổi độ rộng xung 30 Hình Cảm biến đo dòng ACS712 .32 Hình Cảm biến tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C 33 Hình 3 Sơ đồ chức chân Arduino .35 Hình Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống 36 Hình Đầu vào, động .39 Hình Sơ đồ khối động 39 Hình Sơ đồ khối cấu trúc chung hệ 40 Hình 4 Mơ hình tốn học rút gọn hệ 40 Hình Mơ hình tốn học mạch vịng dịng điện 41 Hình Mơ hình tốn học mạch vịng tốc độ 41 Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm DANH SÁCH BẢNG Bảng 1 Thơng số động tải 19 Bảng Thông số Arduino Uno 35 Bảng Bảng thông số phần cứng hệ thống 37 Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1.Tính tốn cấu truyền động 1.1.1 Mơ hình truyền động cần trục Độ ng M Hộ p số - Chọn trống tời:     ω lượng   trống tời (kg) + Bán kính trống tời: R = Trống tời + Khối     0,08 (m)   + Chọn tốc độ kéo tải cần trục: v = 0,8 + Khối lượng tải: m =10 (kg) 2R v   - Tính chọn tải: M=       m (m/s)   Hình 1 Mơ hình truyền động cần trục Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 1.1.2 Tốc độ yêu cầu cần trục - Tốc độ động n=3250 (v/ph) => Vận tốc góc động cơ: ω = πn π 3250 = = 340,34(rad/s) 60 60 - Chọn tốc độ kéo tải cần trục: v = 0,8 (m/s) => Vận tốc góc trống tời kéo tải: ω i = v 0,8 = = 10 (rad/s) R 0,08 - Cần trục chuyển động gồm giai đoạn tăng tốc, ổn định, đảo chiều giảm tốc - Thời gian dự tính cho giai đoạn chuyển đổi: + Tăng tốc 1s + Ổn định 5s + Đảo chiều 2s + Giảm tốc 1s - Ta có đồ thị ω i theo thời gian sau: (rad/s) 10 13 14 t(s) -10 Hình Đồ thị vận tốc góc trống tời theo thời gian Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm - Đồ thị vận tốc góc động theo thời gian: (rad/s) 340,34 13 14 t(s) -340,34 Hình Đồ thị vận tốc góc động theo thời gian 1.1.3 Tính tốn đặc tính tải u cầu 1.1.3.1 Momen xoắn tính tốn: - Momen qn tính hệ: J T = J r + J L , đó: J r momen qn tính phần chuyển động quay quy đổi trục động cơ, ta bỏ qua momen quán tính bánh ( khối lượng khơng đáng kể) momen qn tính có momen qn tính trống tời, gọi J i momen quán tính trống tời, ta có: J i = M R2 = 0,082 = 0,032 (kg.m 2) J L momen quán tính tải, quy đổi từ chuyển động thẳng chuyển động quay, ta có: J L = m ω v2 suy J L = m , với ρ = v ρ ω Vậy momen quán tính hệ: J T =J r + J L= J i ωi2 ω2 + m v2 102 0,82 −5 = 0,032 +10 ( Kg m2) 2 = 8,29.10 ω 340,34 340,34 - Momen hệ: M - M c = J T dω , đó: dt M c momen cản tải quy trục động cơ, tính công thức: M c = F m g v = , với hiệu suất η chọn = 0.85 ta tính được: ρ η ω.n Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm Mc = 10.10.0,8 =0,28 (N.m) 340,34.0,85 M momen trục động cơ, ta có M = M c + J T dω dt - Dựa vào đồ thị ω i(t) trình bày mục 3, ta tính M qua giai đoạn: + Từ -> 1s, M1 = 0,28 + 8,29.10−5 340,34−0 = 0,31( N.m) 1−0 + Từ -> 6s, M2 = 0,28 + 8,29.10−5 340,34−340,34 = 0,28( N.m) 6−1 + Từ -> 8s, lúc động đảo chiều quay nên momen động ngược chiều so với chiều quay động nên M âm: −5 M3 = -(0,28 + 8,29.10 0−340,34 ) = -0,25 ( N.m) 7−6 + Từ -> 13s, M4 = 0,28 + 8,29.10−5 −340,34−(−340,34) = 0,28( N.m) 13−8 + Từ 13 -> 14s, M5 = 0,28+ 8,29.10−5 0−(−340,34) = 0,31( N.m) 14−13 - Từ kết ta vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ M(t): M (N.m) 0,31 0,28 13 14 t(s) - 0,25 Hình Đồ thị momen trục động theo thời gian Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm - Momen đẳng trị: Mđ t = √ ∑ M i2 t i = ∑ ti √ 0,312 2+0,282 2.5+0,25 2 = 0,28 (N.m) 14 - Vậy momen động với hệ số an toàn 1,5 là: M đ = 1,5 M đt = 1,5.0,28= 0,42(N.m) 1.1.3.2 Công suất động cơ: - Từ momen trục động tính vầ đồ thị ω i(t) , ta tính cơng suất quay trục động cơ: P = M.ω(t) - Với t ∈ [ 0; ] ( s): P=0,31.340,34 t=105,5t ( W ) Tại t=0 s : P=0 ( W ) Tại t=1 s : P=105,5 (W ) - Với t ∈ [ ; ] ( s): P=0,28.340,34=95,3 ( W ) - Với t ∈ [ ; ] (s ): P=−0,25 (−340,34 t +2382,4 )( W ) Tại t=6 s : P=−85,08 ( W ) Tại t=7 s : P=0 ( W ) Tại t=8 s : P=85,08 ( W ) - Với t ∈ [ 8; 13 ] ( s): P=0,28 (−340,34 )=−95,3 ( W ) - Với t ∈ [ 13 ; 14 ] (s) : P=0,31.(340,34 t−4764,7)(W ) Tại t=13 s :P=−105,5 ( W ) Tại t=14 s : P=0 ( W ) - Ta vẽ đồ thị P(t) từ kết thu được: P(W) - Công suất đẳng trị: 105,5 95,3 85,08     13 14 - 85,08 - 95,3   -  105,5     Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy t(s) Hình Đồ thị cơng suất theo thời gian Nhóm SV thực hiện: Nhóm 10 LC= 10.(k sb +1) 10.(10+1) = =30(µF H ) 2 m đm - Trong đó: + k sb: Hệ số san bằng, ta chọn 11 + mđm = 2: số lần đập mạch cầu pha - Giá trị L chọn phải lớn giá trị: Ud Id 18 16,73 −3 Lmin = = = =2,28.10 ( H ) 2 m đm π f (m đm−1) m đm π f (m đm −1) π 50 (2 −1) 2 Rd 10.(k sb +1) -Ta chọn C = 2,2 (mF), suy ra: L= m2đm C = −3 30.10 −2 =1,36.10 ( H ) 2,2 L > Lmin nên ta chấp nhận giá trị 2.3.Thiết kế mô biến đổi công suất 2.3.1 Chọn biến đổi công suất - Ta chọn biến đổi công suất chỉnh lưu cầu pha không điều khiển kết hợp với băm xung điện áp chiều dùng Mosfet, sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động trình bày mục 2.1 2.3.2 Thiết kế mơ biến đổi công suất - Ta sử dụng phầm mềm Matlab/Simulink để mô hoạt động biến đổi công suất sau: + Nguồn vào ta sử dụng nguồn AC 18V trực tiếp bỏ qua máy biến áp + Khối điều khiển phát xung ta mô cách dùng nguồn xung tam giác mạch so sánh, thay đổi giá trị đặt thay đổi xung đầu ra: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm Hình Mơ điều khiển phát xung 29 Dong dien [rad/s] + Tải thay cho động ta sử dụng điện trở có giá trị 10 Ω, biến đổi cơng suất mô sau: - Ta mô hoạt động động hai trường hợp: + Khởi động đảo chiều, kết thu được: Do thi dong dien theo thoi gian -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.8 0.9 Thoi gian [s] Do thi dien ap theo thoi gian Dien ap [A] 20 -20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Thoi gian [s] Hình 11 Đồ thị dòng điện điện áp khởi động đảo chiều Hình 10 Mơ biến đổi công suất Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 30 Dong dien [rad/s] + Khởi động, tăng độ rộng xung điều khiển đảo chiều, kết thu được: - Nhận xét: + Dịng điện điện áp có dạng chiều, có vọt lố bắt đầu khởi động, điều khiển đảo chiều dịng điện điện áp đảo chiều + Khi thay đổi độ rộng xung điều khiển (tăng lên), độ rộng xung điện áp dòng điện tăng lên tương ứng, dịng điện điện áp trung bình tăng lên theo lý thuyết Do thi dong dien theo thoi gian -1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.7 0.8 Thoi gian [s] Dien ap [A] Do thi dien ap theo thoi gian 20 10 -10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Thoi gian [s] Hình 12 Đồ thị dịng điện điện áp thay đổi độ rộng xung Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 31 CHƯƠNG 3: CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN, CẢM BIẾN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG 3.1 Chọn cảm biến 3.1.1 Chọn cảm biến đo dịng điện ACS712 3.1.1.1 Sơ lược, ngoại hình: - Module cảm biến dòng điện ACS712 30A sử dụng IC ACS712ELC - 30B, dựa hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC Giá trị trả điện áp analog tuyến tính theo cường độ dịng điện cần đo nên dễ kết nối lập trình với Vi điều khiển, thích hợp với ứng dụng cần đo dịng AC/DC với độ xác cao Hình Cảm biến đo dịng ACS712 3.1.1.2 Thơng số kĩ thuật chung: - Nguồn sử dụng: VDC - Độ nhạy 63-190 mV/A - Độ trễ đáp ứng 5µs - Cấp xác: ± 1% - Tổn hao lượng nhỏ với điện trờ dây dẫn 1,2 mΩ - Dải đo: - 30 A đến 30 A 3.1.1.3 Cách sử dụng ACS712: - Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ Ip- chiều, cảm biến đo dòng điện qua theo hai chiều Vout tuyến tính với dịng Ip Khi dịng điện từ Ip+ đến Ip-, điện áp chân OUT 2.5 ~ VDC tương ứng dòng ~ 30A, đảo chiều dòng điện mức điện áp chân OUT 2.5 ~ VDC, tương ứng với ~ -30 A 3.1.1.4 Tính tốn kết đo Arduino: I= - Trong đó: Vout – Offsetvoltage ( A) Sensitivity + I: dòng điện đo + Vout = ADCvalue × 5(V ): Điện áp cảm VĐK đo từ Output cảm biến 1023 + Offsetvoltage: Điện áp offset (2.5V) Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 32 + Sensitivity: độ nhạy cảm biến (185 mV/A) + ADC value giá trị analog VĐK đọc (0 – 1023) 3.1.2 Chọn cảm biến đo tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C 600 p/r: 3.1.2.1 Sơ lược, ngoại hình: - Omron E6B2-CWZ6C loại encoder dùng cơng nghiệp, có độ xác, độ ổn định độ bền cao Có thể sử dụng trực tiếp với vi điều khiển PLC Hình Cảm biến tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C 3.1.2.2 Thông số kĩ thuật chung: - Loại encoder: Tương đối - Pha đầu ra: A,B Z - Dạng ngõ ra: NPN cực thu hở - Đường kính trục: 6mm - Đường kính thân: 40mm - Điện áp hoạt động: 5-24VDC - Dòng tiêu thụ: max 80mA - Tần số đáp ứng: 100 KHz Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 33 - Datasheet cảm biến: 3.2 Chọn điều khiển - Ta chọn vi điều khiển Arduino Uno R3, thông số sau: Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn 16 MHz khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 34 Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) Bảng Thông số Arduino Uno - Sơ đồ chức chân Arduino: Hình 3 Sơ đồ chức chân Arduino - Ta kết nối chân sau: + Dãy chân Analog pin dùng để đọc tín hiệu từ cảm biến dịng encoder trả + Các chân SCL, SDA dùng để giao tiếp với LCD + Cổng USB-B dùng để kết nối lấy nguồn hoạt động từ PC + Dãy chân có dấu “~” dùng để xuất xung PWM + Các chân lai dãy bên phải dùng để đặt tín hiệu số Low High Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 35 3.3 Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống 3.3.1 Sơ đồ mạch phần cứng Hình Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống 3.3.2 Các tham số phần cứng hệ Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 36 - Ta có bảng thơng số phần cứng hệ: Tên thiết bị Động chiều RE 65 Hộp số GP 62 A Diode MUR 1610 Máy biến áp Mosfet FQPF20N60 Cảm biến dòng ACS712 30A Encoder Omron E6B2-CWZ6C Arduino Uno Thông số Công suất Điện áp phần ứng Momen định mức Tốc độ định mức Giá trị 128,7 18 0,42 3250 Đơn vị W VDC N.m rpm Điện trở phần ứng 0,0609 Ω Điện cảm phần ứng 0,023 mH Tỉ số truyền 1/34 Đường kính trục vào mm Điện áp ngược cực đại Dòng qua van trung bình Điện áp vào sơ cấp Điện áp thứ cấp Điện áp cực đại Điện áp điều khiển cực đại Điện trở tĩnh Dòng cực đại Nguồn cấp 100 16 220 18 600 ± 30 0,37 20 V A VAC VAC V V Ω A V Thang đo Tín hiệu ngõ ± 30 2.5-5 A V 5-24 600 1000 V rpm KHz 7-12 14 32 V Pin Pin KB KB Nguồn cấp Tốc độ tối đa Tần số phản hồi tối đa Nguồn cung cấp Số chân I/O số Số chân I/O tương tự Bộ nhớ flash SRAM Bảng Bảng thông số phần cứng hệ thống Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 37 3.4.Phân tích hoạt động tồn hệ - Ta thấy tải gồm vật nặng cột vào dây quấn quấn vào trống tời, ta phải thiết kế hệ truyền động điện sử dụng động điện chiều, có khả tự động điều chỉnh để truyền động cho trống tời kéo tải lên xuống thông qua dây quấn với tốc độ bám sát với tốc độ mong muốn - Ta điều khiển tốc độ động phương pháp thay đổi điện áp phần ứng, nhiệm vụ thực biến đổi công suất, với điện áp sau biến đổi điều khiển điều khiển - Bộ điều khiển sau nhận tín hiệu trả từ cảm biến dịng cảm biến tốc độ xử lí tính tốn với tốc độ mong muốn đưa tín hiệu phát xung PWM để điều khiển biến đổi công suất - Để hệ hoạt động cách tự động, ta cần lập trình cho điều khiển để tính tốn phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn biến đổi công suất để từ tốc độ mong muốn đặt vào giá trị thực động đo từ cảm biến qua biến đổi tính tốn giá trị điện áp cần phải đặt vào động biến đổi hoạt động tốt động quay với tốc độ bám theo tốc độ đặt vào mong muốn - Ở điều khiển có cấu trúc điều khiển, thuật tốn điều khiển, tham số dựa vào mơ hình tốn học Do ta phải mơ hình hóa hệ thống để xác định cấu trúc điều khiển, xác định lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp để đến tính tốn xác định thơng số điều khiển cho phù hợp Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 38 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN 4.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 4.1.1 Mơ hình tốn học động - Ta xây dựng hàm truyền động với đầu vào điện áp U, đầu tốc độ quay ω: - Ta biến đổi phương trình động sang miền Laplace: U ω   Động + Phương trình điện áp phần ứng: V a ( s )=E a ( s ) + R a I a ( s ) + La s I a ( s) Hình Đầu vào, động + Phương trình suất điện động cảm ứng: Eb ( s )=K b ω ( s ) + Phương trình momen điện từ: M e ( s ) =K t I a ( s ) V a ( s ) −Eb (s) La s+ R a M ( s )−M c ( s ) + Phương trình đặc tính điện: ω ( s ) = e J s+ B + Phương trình dịng điện phần ứng: I a ( s )= - Từ phương trình ta suy mơ hình tốn học động điện chiều với giả thuyết momen tải tỉ lệ với tốc độ động cơ: - Ta biến đổi sơ đồ khối đưa dạng: - Vậy ta có hàm truyền động cơ: +     +       Hình Sơ đồ khối động Kt ω( s) = V a (s) ( L ¿ ¿ a s+ R a) ( J s+ Bl ) + K t K b ¿ +     Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 39 4.1.2 Mơ hình tốn học biến đổi cơng suất (Bộ băm xung điện áp) - Bộ băm điện áp điều khiển theo ngun lý PWM mơ hình hóa khâu khuếch đại: V a =K PWM v c Trong v c điện áp điều khiển biến đổi 4.1.3 Mơ hình tốn học hệ truyền động - Ta có mơ hình tốn học chung hệ sau: Bộ đk tốc độ +       Bộ đk dòng điện Bộ BĐCS +       +       - Trong sơ đồ khối ta thấy sức điện động Eb (s) xem nhiễu mạch Hình Sơ đồ khối cấu trúc chung hệ vòng dòng điện, động có cơng suất nhỏ nên ta bỏ qua ảnh hưởng sức điện động cảm ứng mơ hình tốn học Khi mơ hình tốn học hệ truyền động điện đưa dạng: +     +       Bộ đk tốc độ Bộ đk dịng điện Bộ BĐCS   Hình 4 Mơ hình toán học rút gọn hệ 4.1.4 Tổng hợp mạch vịng dịng điện - Ta có mơ hình tốn học mạch vòng dòng điện: +       Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm Hình Mơ hình tốn học mạch vịng dịng điện 40 - Ta sử dụng thuật toán điều khiển PI cho điều khiển dịng điện, đó: Gc ( s )=K pc + K ic s K ic K pc La K PWM - Hàm truyền mạch vòng dòng điện: K pc s Ra s+ La R a K ic - Để loại trừ điểm cực không, ta chọn K pc K ic cho: = La K pc s+ - Gọi tần số cắt hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện ω cc, ta có biên độ hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện tần số cắt 1: Gc ( j ωcc ) = ( ) La ωcc K pc K PWM =1 ω cc lấy 100π - Vậy ta tính thơng số K pc K ic điều khiển sau: La ω cc 0,023.10−3 100 π −3 = =7,22 10 K PWM Ra 0,0609 −3 =5,32 + K ic =K pc =7,22.10 −3 La 0,023.10 + K pc = 4.1.5 Tổng hợp mạch vòng tốc độ - Ta có mơ hình tốn học mạch vòng dòng điện: +       - Bộ điều khiển tốc độ sử dụng thuật toán PI, ta tổng hợp mạch vịng tốc Hình Mơ hình tốn học mạch vịng tốc độ độ tương tự mạch vòng dòng điện: + Gs ( s )=K ps+ K is s + Tần số cắt ω cs lấy ωcc + Hàm truyền hệ hở mạch vòng tốc độ: K ps + Chọn K ps K is cho: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy B K is = J K ps s+ K is K t K ps J s B s+ J Nhóm SV thực hiện: Nhóm 41 + Gs ( jω cs )= ( K K ) ω J ps t =1 cs J ωcc 8,29.10−5 100 π = =0,14 + K ps = Kt 4.0,046 B J + K is =K ps =0,14 −5 9,42 10 =0,15 −5 8,29 10 4.2 Lập trình thuật tốn điều khiển cho vi điều khiển 4.2.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống 4.2.2 Lập trình chương trình điều khiển cho vi điều khiển 4.2.3 Kiểm nghiệm chương trình điều khiển mơ Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 42 CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1 Mơ tồn hệ thống Matlab/Simulink 5.1.1 Phân tích phần điều khiển 5.1.2 Kết mô 5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm 43