Đề tài thiết kế hệ thống truyền động băng tải có điều khiển bằng động cơ một chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ (PBL2) ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Người hướng dẫn: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG NGUYỄN ĐỨC PHÚC Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÙNG HIẾU VÕ MINH HỒNG NGUYỄN HỮU ANH BẰNG PHẠM VĂN TIẾN Nhóm HP/Lớp: 20.32B/20TDH1 Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng, 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1.1 Tổng quan hệ thống: .3 1.2 Tính tốn u cầu tải: 1.3 Tính chọn cơng suất động cơ: 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 19 2.1 Chọn biến đổi công suất: 19 2.2 Thiết kế mạch điều khiển Bộ biến đổi công suất .31 CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG .33 3.1 Nguyên lý điều khiển mạch điều chế độ rộng xung 33 3.2 Tính chọn phần đo lường 35 3.3 Tính chọn vi điều khiển 41 3.4 Phân tích ngun lí hoạt động tồn hệ thống: 44 CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM TỒN HỆ THỐNG 50 4.1 Mô hệ truyền động matlab 50 4.1.1 Tốc độ momen mong muốn 50 4.1.2 Kết sau mô 51 GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tải chuyển động tịnh tiến Hình 1.2: Đồ thị tốc độ mong muốn Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện Hình 1.4: Sơ đồ tổng quát khối động lực Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển Hình 1.6 Đồ thị tốc độ góc mong muốn Hình 1.7: Đồ thị momen công suất yêu cầu tải Hình 1.8: Đồ thị mô tả khởi động mềm Hình 1.9 Đồ thị so sánh T mong muốn T động Hình 1.10: Hình chi tiết động Hình 1.10 So sánh tốc độ động tốc độ mong muốn .3 Hình 1.11 Đồ thị sau tăng momen động .3 Hình 1.12: Đồ thị sau giảm tốc độ động .4 Hình 1.13 Sơ đồ mơ hoạt động động Hình 1.14: Đồ thị tốc độ momen dịng điện động hoạt động .3 Hình 2.1: Cấu trúc chỉnh lưu Hình 2.1.2: Chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển .4 Hình 2.1.3 Mạch cầu H Hình 2.1.3.2.1 Cấu tạo Mosfet .3 Hình 2.1.3.2.2 Mạch cầu H sử dụng Mosfet Hình 2.1.7 Sơ đồ mạch biến áp Hình 2.1.7.1 Bộ hạ áp 220-24V .5 Hình 2.1.8: Sơ đồ hoàn thiện mạch Hình 2.1.9.1: Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển .5 Hình 2.1.9.1.1 Giá trị điện áp sau chỉnh lưu Hình 2.1.9.2 Mơ cầu Mosfet .3 Hình 2.1.9.3 Sơ đồ kết hợp chỉnh lưu mạch cầu H Hình 2.2.1 Mạch tạo xung kích .5 Hình 2.2.1.1: Kết tạo xung kích .3 Hình 2.2.2 Mạch điều khiển Hình 3.1 Cách tạo dao động Hình 3.1.2.1 Xung kích sau sử dụng hàn AnalogWrite arduino Hình 3.1.2.1: Tỷ lệ chu kì xung Arduino Uno Hình 3.2 Cảm biến dòng ACS712 30A Hình 3.3: Sơ đồ nối chân cảm biến dòng .4 Hình 3.4 Encoder tích hợp bên động DC .5 Hình 3.5: Nguyên lí hoạt động encoder Hình 3.6 Encoder N3806-AB-400N Hình 3.7 Sơ đồ đấu nối Encoder Hình 3.8 Cấu tạo Encoder Hình 3.9 Sự bố trí cảm biến A B lệch pha .3 Hình 3.10 Arduino Uno R3 Hình 3.11: Thơng số Arduino GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| Hình 3.12 Thông số thiết bị phần ứng Hình 4.1 Mô hệ truyền động điện .4 Hình 4.1.1 Tốc độ mong muốn Hình 4.1.1.2 Đồ thị momen mong muốn .3 Hình 4.1.2 Kết mơ GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1.1 Tổng quan hệ thống: 1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mơ tả tốn đề tài: Dự án yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động chiều kích từ vĩnh cửu với tải chuyển động tịnh tiến Yêu cầu hệ truyền động: điều khiển băng tải để vật có khối lượng M chuyển động tịnh tiến (mơ tả Hình 1.1) với tốc độ mong muốn (mơ tả Hình 1.2) Nguồn cấp cho hệ thống nguồn xoay chiều pha 220V Hình1.0.1: Tải chuyển động tịnh tiến Hình 1.0.1: Đồ thị tốc độ mong muốn Theo yêu cầu ta có tải dạng băng tải, để đáp ứng yêu cầu trục rotor động cần phải quay với tốc độ mong muốn truyền động cho băng tải Từ đồ thị tốc độ mong muốn tải mơ tả Hình 1.2 ta xác định giai đoạn hoạt động động sau: - Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn - Hoạt động ổn định tốc độ mong muốn GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| - Hãm dừng, giảm tốc độ - Đảo chiều tăng tốc lên theo chiều ngược lại - Hoạt động ổn định tốc độ mong muốn - Hãm dừng, giảm tốc độ 1.1.2 Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện: Từ yêu cầu chuyển động tải ta đưa mối quan hệ phận hệ truyền động: - Tải chuyển động tịnh tiến truyền động từ trục Rotor động - Để động hoạt động cần cấp nguồn điện phù hợp với thông số định mức động → cần có biến đổi cơng suất - Để giám sát tốc độ động cần phải có cảm biến đo tín hiệu cần dùng → cần có cảm biến dịng, cảm biến tốc độ - Từ giá trị cảm biến thu giá trị mong muốn hệ truyền động đáp ứng, ta tính tốn đưa tín hiệu điều khiển cho động → cần có điều khiển Từ phân tích ta đưa sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện: Hình 1.0.2: Sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| Từ sơ đồ tổng quát hệ truyện động ta phân tích chức khối để rõ nguyên lí hoạt động hệ truyện động: ❖ Khối động lực: Hình 1.0.3: Sơ đồ tổng quát khối động lực Ta có sơ đồ tổng quát khối động lực Hình 1.4, khối động lực gồm có phần biến đổi công suất, động điện, hộp số băng tải hình vẽ Dưới mơ tả chức từ phần khối động lực: - Bộ biến đổi công suất: Các biến đổi thường dùng hệ truyền động điện đại biến đổi điện tử công suất chỉnh lưu, băm điện áp, điều áp xoay chiều, biến tần Cụ thể đề tài cơng suất có nhiệm vụ biến đổi từ nguồn điện xoay chiều pha cố định cho sang nguồn điện phù hợp cấp cho động - Động cơ: Sử dụng động chiều kích từ vĩnh cửu để truyền động cho tải Trục Rotor động có chức truyền động trực tiếp cho pulley băng chuyền - Trong trường hợp chọn động không đủ tải ta sử dụng hộp số để tăng momen động lên cho phù hợp với tải - Băng tải: Pulley chuyển động quay truyền động cho tải M chuyển động tịnh tiến thông qua băng tải ❖ Khối điều khiển: GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| Hình 1.0.5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển Ta có sơ đồ tổng quát khối điều khiển Hình 1.5, khối điều khiển có chức giám sát, tính tốn đưa giá trị điều khiển cho phần động lực để kết đầu bám sát yêu cầu mong muốn Dưới mô tả chức phần khối điều khiển: - Bộ cảm biến có chức đo phản hồi giá trị tốc độ góc dịng điện động điều khiển - Bộ điều khiển lập trình thuật tốn điều khiển truyền động điều chỉnh q trình cơng nghệ Từ thông tin phản hồi với giá trị đặt mong muốn đầu vào, thuật toán điều khiển thực tính tốn đưa giá trị điều khiển cần thiết để điều khiển tốc độ thực động bám theo giá trị đặt mong muốn 1.2 Tính tốn u cầu tải: Từ mơ tả tốn ta tính tốn thơng số u cầu tải, tổng quan động điện chiều kích từ vĩnh cửu phân tích, đưa phương án truyền động cho động 1.2.1 Tính tốn thơng số u cầu tải: - Ta có thơng số tốn tải đưa ra:  Khối lương tải: M = 2.6 kg  Bán kính Pulley: r = 0.37 m GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| - Từ đồ thị tốc độ mong muốn mơ tả Hình 1.2 ta tính tốc độ góc tương ứng theo mốc thời gian thơng qua biểu thức: - Ta biểu diễn kết tính tốn bảng sau: t(s) u(m/s) (rad/s) 0 13.51 13.51 -5 -13.51 -5 -13.51 0 Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian - Từ bảng ta vẽ đồ thị tốc độ góc mong muốn sau: GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 15 13.51 13.51 10 0 0 -5 -10 -13.51 -13.51 -15 Hình 1.6 Đồ thị tốc độ góc mong muốn ❖ Dựa vào đồ thị Hình 1.6 ta xác định trình hoạt động động cơ: - Quán trình tải chạy tới:  Từ đến 1s: tốc độ quay () động tăng từ rad/s đến 13.51 rad/s  Từ đến 3s: động hoạt động ổn định với tốc độ quay = 13.51 rad/s  Từ đến 3.5s: tốc độ quay động giảm rad/s - Quán trình tải chạy lùi:  Từ 3.5 đến 4s: động đảo chiều, độ lớn tốc độ quay tăng dần lên = -13.51 rad/s  Từ đến 6s: động hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay = -13.51 rad/s  Từ đến 7s: tốc độ quay động giảm = rad/s dừng ❖ Áp dụng định luật II Newton để đưa phương trình cân hệ: - Theo định luật II Newton ta có: GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| - Thời gian tăng đầu để đáp ứng với đầu vào s - Điện trở dây dẫn 1.2 mΩ - Nguồn 5VDC - Độ nhạy đầu từ 63-190 mV/A - Điện áp ổn định - ACS712 30A (x30B)  Phương pháp xử lý số liệu: Khi thực hiệ phép đo, cho dù dụng cụ đo có xác đến mức nào, phương đo có hợp lý đến đâu, người đo cẩn thận đến mức kết đo nhận đại lượng gần với giá trị thực Bên cạnh đó, sau lần đo cho kết đo nhận khác Để thiết kế hệ truyền động cách tốt địi hỏi phải có số liệu gần với giá trị thực để tránh sai lệch hệ thống lớn 3.2.1.2 Cảm biến tốc độ  Lựa chọn cảm biến Cảm biến tốc độ yêu cầu: + Điều khiển động theo tốc độ đặt + Đo vận tốc quay + Đo vận tốc góc Chọn động DC có gắn thêm phần Encoder để trả xung vi điều khiển giúp xác định vị trí, vận tốc,  Cấu tạo Encoder hay gọi Bộ mã hóa quay mã hóa trục, thiết bị điện chuyển đổi vị trí góc chuyển động trục trục thành tín hiệu đầu analog kỹ thuật số Encoder dùng để phát vị trí, hướng di chuyển, tốc độ động cách đếm số vòng quay trục GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 39 Hình 3.4 Encoder tích hợp động DC  Nguyên lý hoạt động Khi đĩa quay quanh trục, đĩa có rãnh để tín hiệu quang chiếu qua (Led) Chỗ có rãnh ánh sáng xun qua được, chỗ khơng có rãnh ánh sáng khơng xun qua Với tín hiệu có/khơng người ta ghi nhận đèn Led có chiếu qua hay khơng Số xung Encoder quy ước số lần ánh sáng chiếu qua khe Khi cảm biến A bắt đầu bị che cảm biến B hoàn toàn nhận hồng ngoại xuyên qua, ngược lại Hình thấp dạng xung ngõ kênh Xét trường hợp motor quay chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sáng phải Bạn quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) kênh B mức thấp Ngược lại, động quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, cạnh xuống kênh A kênh B mức cao Như vậy, cách phối hợp kênh A B khơng xác định góc quay (thơng qua số xung) mà biết chiều quay động (thông qua mức kênh B cạnh xuống kênh A) Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động Encoder GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 40 Tương tự dòng điện ta cần lấy giá trị tốc độ động để đưa điều khiển tính tốn, để thực công việc ta sử dụng cảm biến Encoder với tín hiệu đầu có dạng xung vuông với tần số phụ thuộc vào tốc độ động Khi chuỗi xung vuông đưa vào điều khiển đếm số xung khoảng thời gian cho phép tính tốn tốc độ động - Tốc độ tối đa động sau qua hộp số - Ta dự định sử dụng arduino uno có tốc độ đáp ứng nên ta chọn Encoder có độ phân giải khơng vượt - Có thể xác định chiều quay động Từ yêu cầu ta chọn Encoder N3806-AB-400N, có thơng số sau: Loại Thơng số Giá trị Đơn vị N3806-AB- Nguồn cấp 5-24 V 400N Tốc độ tối đa 6300 Vòng/phút Số xung 400 Xung/vòng Bảng 3.2 Thơng số Encoder N3806-AB-400N Hình 3.6 Encoder N3806-AB-400N  Kết nối với vi điều khiển: - Đầu encoder gồm dây: + Đỏ - VCC: 5V + Đen – GND + Shied – GND + Trắng – Xung A GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 41 + Xanh – Xung B - Hai dây trắng xanh đưa xung A B vi điều khiển, để đọc hai xung cách xác ta cần kết nối với hai chân ngắt vi điều khiển  Sơ đồ đấu nối: Hình 3.7 Sơ đồ đấu nối Encoder 3.2.1.3 Cách quy đổi từ xung tốc độ động Hình 3.8 Cấu tạo Encoder - Đối với động có tích hợp Encoder pử phía sau trục quay Encoder kết nối với trục động cơ, động quay trục quay quay theo - Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải encoder dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ xác điều khiển phương pháp điều khiển, nhiên encoder cịn có cặp thu phát khác đặt đường tròn với kênh A lệch chút (lệch M+0.5 rãnh), kênh B encoder - Tín hiệu xung từ kênh B có tần số với kênh A lệch pha 90 độ Bằng cách phối hợp kênh A B người đọc biết chiều quay động 42 Hình 3.9 Sự bố trí cảm biến kênh A B lệch pha 3.3 Tính chọn vi điều khiển 3.3.1 Thơng số Arduino Uno R3 Hình 3.10 Arduino Uno R3 - Ta có thơng số vi điều khiển sau: Arduino Uno R3 Tính năng, đặc điểm Chip điều khiển ATmega 328 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V – DC Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V – DC Dòng tối đa 500mA Số chân Digital 14 (6 số PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10 bit) Dòng điện DC chân I/O 30mA Bộ nhớ Flash 32KB 0.5KB dùng bootloader SRAM KB Tốc độ thạch anh 16 MHz EEPROM 1KB Kích thước 68.6 x 53.4 mm GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 43 Bảng 3.11 Thông số Arduino Uno R3 3.3.2 Nguồn cấp cho Arduino Uno R3 Cấp nguồn chân 5V: + Dùng nguồn 5V ổn định nối vào chân 5V GND + Nếu dùng Pin dùng module LM2596 (mạch buck) để điều chỉnh điện áp pin xuống 5V cấp nguồn cho Nano 3.3.3 Bộ nhớ Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atmega 328 + 32KB cho nhớ Flash: Trong bootloader chiếm 0.5KB + 2KB cho SRAM: (Static Random Access Memory): giá trị biến khai báo lưu Khai báo nhiều biến tốn nhiều nhớ RAM Khi nguồn liệu SRAM bị tương tự RAM máy tính + 1KB cho EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi đọc ghi liệu vào không bị liệu nguồn tương tự rom máy tính 3.3.4 Các chân Arduino Uno R3  14 chân Digital sử dụng để làm chân đầu vào đầu  Giá trị điện áp chân 5V, dòng điện chân tối đa 30mA  RX0, TX1: Được sử dụng để nhận liệu (RX) truyền liệu (TX) TTL  RST: Chân reset (hoạt động mức 0)  Ngắt ngoài: Chân chân  Từ D2 đến D12: Chân Digital (I/O)  Chân D3, D5, D6, D9, D10 D11 có khả xuất xung PWM  Chân A0 đến A7: Analog Input 10 bit đọc tín hiệu analog  Chân A0 đến A5 chân đa năng: có khả Analog Digital GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 44 - Ta có bảng đầy đủ thông số phần cứng chọn: Tên thiết bị Thông số Giá trị Đơn vị Công suất 80 W 15 VDC Điện áp kích từ VDC Momen định mức 0.19 N.m Công suất cực đại Động DC 1N-363-EN Mosfet Điện áp phần ứng KW Momen cực đại 2.82 N.m Phạm vi tốc độ 0-4000 Rpm Điện áp ngược cực đại 100 V Dòng điện qua van cực đại 19 A Cảm biến dòng Nguồn cấp V ACS712 30A Thang đo 30 A Tín hiệu ngõ 2.5-5 V Ms Độ trễ Encoder N3806- Nguồn cấp 5-24 V AB-400N Tốc độ tối đa 6300 Rpm Số xung 400 Rpm GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 45 Nguồn cung cấp 7-12 VDC Số chân Digital 14 Pin Số chân Analog Pin Bộ nhớ flash 32 KB SRAM KB Giao tiếp USB, ICSP, Port SPI, I2C USART Arduino Uno R3 Bộ Timer (8 bit) + Bộ (16 bit) = Timer Timer PWm 12 (2-16 bit) PWM ADC 16 (10 bit) ADC USART Port Ngắt thay đổi chân 24 Pin Bảng 3.12 Các tham số phần cứng chọn 3.3.5 Lập trình vi điều khiển : - Chương trình điều khiển hoàn chỉnh : GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 46 GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 47 GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 48 3.4 Phân tích ngun lí hoạt động tồn hệ thống: Ta thấy tải gồm vật M đặt băng tải sơ đồ, ta phải thiết kế hệ điều khiển truyền động điện sử dụng động điện chiều kích từ vimhx cửu, có khả tự động điều chỉnh để truyền động cho culi xoay băng tải truyền động cho vật M chuyển động tịnh tiến qua lại với tốc độ bám theo tốc độ mong muốn tải 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 cơng suất Nhưng có phần lực thơi hệ khơng hoạt động cách tự động, để hệ hoạt động ta cần phần có chương trình điều khiển để tính tốn phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn mạch chỉnh lưu 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 tốn học Nhưng chưa học thuật toán điều khiển nên sử dụng thuật toán điều khiển tham số điều khiển mà giảng viên trợ dẫn cung cấp GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 49 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM TOÀN HỆ THỐNG GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 50 4.1 Mơ hệ truyền động matlab Hình 4.1 Mô hệ truyền động 4.1.1 Tốc độ momen mong muốn - Đồ thị tốc độ đặt mong muốn : Hình 4.1.1 Đồ thị tốc độ mong muốn GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 51 - Momen mong muốn hệ truyền động : 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 Hình 4.1.1.2 Đồ thị momen mong muốn 4.1.2 Kết đạt sau mơ Hình 4.1.2 Kết mô Nhận xét : so sánh tốc độ momen đầu vào với tốc độ momen đầu ta thấy hệ thống gần bám sát đạt yêu cầu - Tốc độ trục động dáp ứng tương đối tốt, bám sát theo giá trị mong muốn lúc khởi động dao động nhẹ - Momen đầu dao động lớn gây ảnh hưởng tới hoạt động hệ truyền động - Giá trị thông số tương đối tốt, cần phải kiểm nghiệm nhiều để đưa thông số tối ưu GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 52 - Hệ thống hạn chế ảnh hưởng nhiễu, tiếp tục tìm hiệu chỉnh phát triển GVHD: PGS.TS Lê Tiêến Dũng| 53