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 1.1.1 Mơ hình truyền động cần trục 1.1.2 Tốc độ yêu cầu cần trục 1.1.3 Tính tốn đặc tính tải u cầu .8 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 CÔNG SUẤT 20 2.1 Tính chọn biến đổi cơng suất 20 2.1.1 Phân tích chọn biến đổi cơng suất 20 2.1.2 Chỉnh lưu hình cầu pha khơng 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 Mô hình tốn học động 39 4.1.2 Mơ hình tốn học biến đổi cơng suất (Bộ băm xung điện áp) 40 4.1.3 Mơ hình toán 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 .7 Hình Đồ thị vận tốc góc động theo thời gian .8 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 mô 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 Mơ điều khiển phát xung .29 Hình 10 Mơ biến đổi công suất 29 Hình 11 Đồ thị dòng 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 dịng 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 Thông 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 Hộ^! p sộ M lượng (kg) ω + Bán kính trống tời: R = - Chọn trống tời: trống tời Trống tời + Khối M= 2R 0,08 (m) v - Tính chọn tải: + Chọn tốc độ kéo tải cần trục: v = 0,8 + Khối lượng tải: m =10 (kg) 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 60 = π 3250 60 = 340,34(rad/s) - Chọn tốc độ kéo tải cần trục: v = 0,8 (m/s) v 0,8 R 0, => Vận tốc góc trống tời kéo tải: ωi = = = 10 (rad/s) - 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 ωi 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: JT = Jr + J L , đó: Jr momen quán 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 Ji momen qn tính trống tời, ta có: Ji = M.R2 = 0,082 = 0,032 (kg.m2) J L momen quán tính tải, quy đổi từ chuyển động thẳng chuyển động quay, ta có: J = m L ρ , với ρ = ω ω Vậy momen quán tính hệ: 2 v suy J L = m v JT =J r + J L= J iω i + m.v 102 0,82 22 = 8,29.10−5 ( Kg m2) = 0,032 +10 ω ω 340,342 340,342 - Momen hệ: M - Mc = JT dω d , đó: M c momen cản tải quy trục động cơ, tính cơng thức: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Nhóm SV thực hiện: Nhóm M = F c ρ η = m g v ω n Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy , với hiệu suất η chọn = 0.85 ta tính được: Nhóm SV thực hiện: Nhóm M c= 10.10.0,8 340,34.0, =0,28 (N.m) M momen trục động cơ, ta có M = M c dω + JT dt - Dựa vào đồ thị ωi(t) trình bày mục 3, ta tính M qua giai đoạn: + Từ -> 1s, M1 = 0,28 + 8,29 −5 340,34−0 1−0 + Từ -> 6s, M2 = 0,28 + 8,29 340,34−340,341 −5 = 0,31( N.m) = 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 7−6 ) = -0,25 ( N.m) + Từ -> 13s, M4 = 0,28 + 8,29.10−5 + Từ 13 -> 14s, M5 = 0,28+ 8,29.10−5 −340,34−(−340,34) 13−8 0−(−340,34) 14−13 = 0,28( N.m) = 0,31( N.m) - 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 ... 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 1.1.2 Tốc độ yêu cầu cần trục 1.1.3... 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. .. 15 Đồ thị kết mô động DC - Nhận xét: + Sau khởi động động động hoạt động ổn định + Tại t = 1s ta cấp tải cho động cơ, tốc độ động giảm, dịng điện phần ứng tăng dẫn đến mơ men điện từ động sinh