Đồ án i điều khiển động cơ dc công suất nhỏ ứng dụng điều khiển lưu lượng và thể tích bơm bánh răng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN I ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC CÔNG SUẤT NHỎ - ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ THỂ TÍCH BƠM BÁNH RĂNG BÙI ANH DŨNG Dung.BA202338@sis.hust.edu.vn NGUYỄN VIỆT CƯỜNG Cuong.NV202736@sis.hust.edu.vn LÊ TRUNG ĐỨC Duc.LT200165@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Linh Chữ ký GVHD Khoa: Trường: Tự động hóa Điện - Điện tử HÀ NỘI, 8/2023 Lời cảm ơn Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Mạnh Linh, người tận tình hướng dẫn, giải đáp thắc mắc nhóm q trình làm Đồ án I Song kiến thức nhiều hạn chế, Đồ án I này, nhóm chúng em dừng lại việc tìm hiểu, phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển bơm nước chưa có sản phẩm thực tế để kiểm nghiệm Tóm tắt nội dung đồ án Với đề tài "Điều khiển động DC công suất nhỏ - ứng dụng điều khiển bơm nước (lưu lượng thể tích)", nhóm chúng em tiến hành triển khai với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu bơm bánh Chương 2: Giới thiệu chung động điện chiều Chương 3: Các thiết bị phần cứng Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển bơm nước miền phức & Mô kiểm nghiệm Matlab Simulink Chương 5: Kết luận Thông qua Đồ án I, nhóm chúng em rèn luyện thêm kỹ đọc tài liệu kỹ thuật, biết cách lựa chọn phần cứng phù hợp, hiểu khối hệ thống nhúng, hiểu cách mơ hình hóa đối tượng điều khiển thực tế, biết cách phân tích thiết kế hệ thống điều khiển miền phức Kết mô kiểm nghiệm hệ thống điều khiển bơm nước miền phức nhờ công cụ Matlab Simulink đạt yêu cầu đề Vì vậy, thời gian tới, nhóm chúng em cố gắng triển khai thiết bị thật với tảng hệ thống điều khiển hệ thống nhúng MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BƠM BÁNH RĂNG 1.1 Giới thiệu chung bơm bánh 1.2 Đặc điểm cấu tạo bơm bánh Đặc điểm bơm bánh Cấu tạo bơm bánh (bơm bánh ăn khớp ngoài) 1.3 Nguyên lý hoạt động bơm bánh (bơm bánh ăn khớp ngoài) 1.4 Ưu điểm nhược điểm bơm bánh Ưu điểm bơm bánh Nhược điểm bơm bánh CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động động điện chiều Cấu tạo động điện chiều Nguyên lý hoạt động động điện chiều 2.2 Mơ hình hóa động điện chiều 2.3 Đặc tính động điện chiều CHƯƠNG CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 11 3.1 Máy bơm bánh 11 Giới thiệu chung máy bơm bánh ZC-530 11 Thông số kỹ thuật máy bơm bánh ZC-530 11 3.2 Thiết bị điều khiển 12 Yêu cầu thiết bị điều khiển 12 Giới thiệu vi điều khiển STM32F103C8T6 12 3.3 Thiết bị đo lưu lượng 16 Giới thiệu chung cảm biến lưu lượng YF-S401 16 Thông số kỹ thuật cảm biến lưu lượng YF-S401 17 Bảng tham chiếu đặc tính lưu lượng - xung 18 3.4 Thiết bị đo dòng điện 18 Giới thiệu chung cảm biến ACS712ELCTR-05B-T 18 Thông số kỹ thuật cảm biến ACS712ELCTR-05B-T 19 Cách sử dụng cảm biến ACS712ELCTR-05B-T 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TRONG MIỀN PHỨC & MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM TRÊN MATLAB SIMULINK 21 Các tham số mơ hình động DC máy bơm bánh ZC-530 21 4.1 Các tham số động DC máy bơm bánh ZC-530 21 Mơ hình động DC máy bơm bánh ZC-530 21 Thiết kế mạch vòng dòng điện mạch vòng tốc độ cho động DC 21 4.2 Thiết kế mạch vòng dòng điện 22 Thiết kế mạch vòng tốc độ 23 Chống bão hõa tích phân cho điều khiển dịng điện điều khiển tốc độ 24 Mô Matlab Simulink với mạch vòng dòng điện mạch vòng tốc độ vừa thiết kế 25 Thiết kế mạch vòng lưu lượng cho lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm 28 4.3 Thiết kế mạch vòng lưu lượng 28 thiết kế Mô Matlab Simulink với mạch vòng lưu lượng vừa 30 Thiết kế mạch vịng thể tích cho thể tích chất lỏng cần bơm 33 4.4 Thiết kế mạch vòng thể tích 33 kế Mơ Matlab Simulink với mạch vịng thể tích vừa thiết 33 CHƯƠNG KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BƠM BÁNH RĂNG 1.1 Giới thiệu chung bơm bánh Trong hệ thống thủy lực, đóng vai trị trung tâm máy bơm Dựa hoạt động cấu tạo mà người ta phân chia thành nhiều loại bơm Có thể kể đến bơm ly tâm, bơm piston, bơm bánh răng, bơm lá, Với đề tài điều khiển bơm lưu lượng thể tích, ứng dụng công nghiệp thực phẩm, tìm hiểu loại bơm định lượng - bơm bánh - loại bơm sử dụng phổ biến Bơm bánh ăn khớp Bơm bánh phát minh vào đầu kỷ XVII Johannes Kepler Bơm bánh thường sử dụng cho ứng dụng lượng thủy lực ứng dụng có độ nhớt cao (chất lỏng đặc) Giống tất máy bơm dịch chuyển tích cực, chúng bơm khơng khí tự động hút nước từ nguồn nước thấp hơn, bơm nước lên đến vị trí cao đưa nước đến điểm cần thiết mà không cần bơm thêm nước vào bên Trong số thiết kế bơm bánh tồn tại, có hai thiết kế Một thiết kế sử dụng hai bánh giống hệt ăn khớp với nhau, loại gọi bơm bánh ăn khớp Thiết kế thứ hai có bánh đặt bánh khác, loại gọi bơm bánh ăn khớp Bơm bánh ăn khớp (External gear pump) Bơm bánh ăn khớp (Internal gear pump) Chất lỏng xả từ bơm bánh thường chảy với xung áp suất thấp dẫn đến dịng chảy trơn tru khơng đổi Tốc độ dịng chảy qua bơm tương quan trực tiếp với tốc độ quay bánh răng, điều làm cho bơm bánh trở thành lựa chọn bơm tốt cho ứng dụng đo lường (trong lượng dịng chảy cần đo xác) Bơm bánh thường điều khiển điện sử dụng động điện, chúng điều khiển thủy lực học, tùy thuộc vào thiết kế ứng dụng 1.2 Đặc điểm cấu tạo bơm bánh Đặc điểm bơm bánh Bơm bánh có số đặc điểm bật mà dễ dàng nhận thấy là: • Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo • Khả làm việc với độ xác cao, kích thước nhỏ gọn • Số vịng quay cơng suất đơn vị trọng lượng lớn • Có khả chịu q tải thời gian ngắn Cấu tạo bơm bánh (bơm bánh ăn khớp ngoài) Cấu tạo bơm bánh ăn khớp Bơm bánh ăn khớp ngồi bao gồm số phận sau: • Trục bơm: thành phần quan trọng, đóng vai trị cố định hoạt động máy bơm • Thân bơm: Thân bơm chế tạo với khả chịu lực có độ bền cao nhờ chế tạo từ gang đúc thép khơng gỉ • Bánh chủ động, bánh bị động: Cặp bánh có kích thước giống nhau, quay ngược chiều hoạt động • Cổng hút, cổng xả: Như loại bơm khác, hai cổng có nhiệm vụ hút xả chất lỏng cần bơm • Van giảm áp: Trong trường hợp bơm tải lưu lượng bơm lớn nguồn điện bơm yếu, van giảm áp giúp bảo vệ máy bơm an toàn sử dụng • Phớt bơm: Vì máy bơm bánh khơng kín hồn tồn, nên cần sử dụng phớt làm kín cho máy bơm Có hai loại phớt làm kín sử dụng phổ biến cho loại bơm bánh phớt tết phớt khí, phớt khí có giá thành cao chất lượng tốt • Bạc lót trục: Bơm bánh sử dụng vịng bi hay bạc lót trục, phận có chức đỡ trục bơm bảo vệ trục, hỗ trợ hoạt động trục bơm bánh 1.3 Nguyên lý hoạt động bơm bánh (bơm bánh ăn khớp ngồi) Khơng giống dạng máy bơm khác, bơm bánh hoạt động dựa nguyên lý chủ yếu dẫn, nén chất lỏng điều kiện thể tích kín có dung tích trạng thái thay đổi Nguyên lý hoạt động bơm bánh ăn khớp ngồi Tồn q trình làm việc bơm theo trình tự định sau: • Ban đầu, bánh chủ động bắt đầu hoạt động kết nối với trục máy làm máy quay, tiếp kéo bánh bị động chạy theo Ngay sau đó, dung dịch vận chuyển rãnh bánh từ vị trí khoang hút đến khoang đẩy vịng theo vỏ bơm Trong q trình thực khoang hút khoang đẩy ngăn cách lại với • Q trình đẩy lên diễn mà bánh vào vị trí khớp nối khoang đẩy, dung dịch khoang đẩy bị áp chế để vào ống dẫn Vào lúc này, vị trí khoang hút có cặp bánh khớp làm đẩy mạnh dung tích khoang hút dẫn Áp suất khoang hút sụt giảm chất lỏng di chuyển vào buồng hút Như vậy, tồn q trình hoạt động bơm bánh công nghiệp phụ thuộc hoàn toàn vào bánh tên gọi Lưu ý: • Trong ngun lý bơm bánh răng, khoang hút khoang đẩy xem khép kín, ngăn cách mặc tiếp xúc bánh lưới chắn • Theo nguyên lý hoạt động bơm bánh răng, áp suất bơm bánh phụ thuộc vào tải, nhiên thực tế, khoang hút khoang đẩy khơng thật kín mà chất lỏng có khả rị rỉ qua lại, áp suất chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác • Trong thực tế, bơm khơng thể hồn tồn kín khả chế tạo nhiều trường hợp người ta phải cố ý tạo lưu lượng áp suất khơng phải túy phụ thuộc vào tải • Để hạn chế áp suất làm việc bơm, hãng máy bơm bánh thường thiết kế thêm van an tồn đường ống đẩy Van có tác dụng giảm áp suất, đẩy chất lỏng trở bể hút áp suất cao đường ống đẩy bị tắc 1.4 Ưu điểm nhược điểm bơm bánh Ưu điểm bơm bánh • Dễ sử dụng bảo trì: So với loại máy bơm khác, máy bơm bánh có trọng lượng nhỏ, thuận tiện cho việc vận chuyển hàng ngày không tốn nhiều sức lao động Cũng trọng lượng nhẹ nên bơm bánh sử dụng thuận tiện Đồng thời, cấu trúc đơn giản thành phần nên việc sửa chữa gặp cố thuận tiện • Chi phí thấp: So với máy bơm thơng thường, máy bơm bánh có trọng lượng nhỏ dễ vận chuyển, giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển mức độ Quy trình bảo trì đơn giản tương lai chi phí bảo trì thấp Do đó, máy bơm bánh kinh tế tiết kiệm chi phí cách hiệu • Hiệu suất cao: Trên thực tế, tổn thất chất lỏng bơm bánh nhỏ Mặc dù số chất lỏng sử dụng để bôi trơn hai mặt ổ trục bánh răng, thân bơm khơng lắp mà khơng có khe hở, dẫn đến hiệu suất hoạt động bơm bánh đạt tối đa Tuy nhiên, máy bơm đạt hiệu suất từ 93% đến 98% • Khơng nhạy cảm với độ nhớt mật độ chất lỏng: Nếu độ nhớt tỷ trọng chất lỏng thay đổi, bơm bánh không bị ảnh hưởng nhiều Nếu lọc đặt bên cạnh cổng xả, bơm bánh đẩy chất lỏng qua chúng Nếu lọc bị bẩn bị tắc, bơm bánh trì lưu lượng khơng đổi đạt đến giới hạn học phần yếu thiết bị Điều làm cho bơm bánh không nhạy cảm với ô nhiễm dầu phù hợp để sử dụng ngành công nghiệp hóa dầu