GIỚI THIỆU VỀ BƠM BÁNH RĂNG
Giới thiệu chung về bơm bánh răng
Trong hệ thống thủy lực, máy bơm đóng vai trò trung tâm và được phân loại dựa trên hoạt động và cấu tạo, bao gồm bơm ly tâm, bơm piston, bơm bánh răng và bơm lá Trong lĩnh vực điều khiển bơm lưu lượng và thể tích, đặc biệt trong ngành công nghiệp thực phẩm, bơm định lượng, đặc biệt là bơm bánh răng, là một loại bơm phổ biến và quan trọng.
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Bơm bánh răng, được phát minh bởi Johannes Kepler vào đầu thế kỷ XVII, là thiết bị quan trọng trong các ứng dụng năng lượng thủy lực và chất lỏng có độ nhớt cao Loại bơm này, giống như các máy bơm dịch chuyển tích cực khác, có khả năng bơm không khí và tự động hút nước từ nguồn thấp, giúp đưa nước lên vị trí cao hơn mà không cần bổ sung nước vào bên trong.
Trong thiết kế bơm bánh răng, có hai loại chính: bơm bánh răng ăn khớp ngoài, sử dụng hai bánh răng giống hệt nhau ăn khớp với nhau, và bơm bánh răng ăn khớp trong, trong đó một bánh răng được đặt bên trong bánh răng khác.
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (External gear pump)
Bơm bánh răng ăn khớp trong (Internal gear pump)
Chất lỏng xả ra từ bơm bánh răng thường có áp suất thấp, tạo ra dòng chảy trơn tru và ổn định Tốc độ dòng chảy qua bơm tỉ lệ thuận với tốc độ quay của bánh răng, khiến bơm bánh răng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đo lường, nơi yêu cầu độ chính xác cao trong việc đo lượng dòng chảy.
Bơm bánh răng thường được điều khiển bằng điện với động cơ điện, nhưng cũng có thể sử dụng điều khiển thủy lực hoặc cơ học, tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng cụ thể.
Đặc điểm và cấu tạo của bơm bánh răng
Đặc điểm của bơm bánh răng
Bơm bánh răng có một số đặc điểm nổi bật mà chúng ta dễ dàng nhận thấy như là:
• Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo
• Khả năng làm việc với độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn
• Số vòng quay và công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn
• Có khả năng chịu quá tải trong một thời gian ngắn
Cấu tạo của bơm bánh răng (bơm bánh răng ăn khớp ngoài)
Cấu tạo của bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài bao gồm một số bộ phận chính như sau:
• Trục bơm: đây là thành phần quan trọng, đóng vai trò cố định hoạt động của máy bơm
• Thân bơm: Thân bơm được chế tạo với khả năng chịu lực và có độ bền cao nhờ chế tạo từ gang đúc và thép không gỉ
• Bánh răng chủ động, bánh răng bị động: Cặp bánh răng có kích thước giống nhau, quay ngược chiều nhau khi hoạt động
• Cổng hút, cổng xả: Như các loại bơm khác, hai cổng này có nhiệm vụ hút và xả chất lỏng cần bơm
Van giảm áp đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy bơm khỏi tình trạng quá tải hoặc lưu lượng bơm lớn khi nguồn điện yếu Bằng cách điều chỉnh áp suất, van giảm áp giúp đảm bảo sự an toàn và hiệu suất hoạt động của máy bơm trong suốt quá trình sử dụng.
Phớt bơm là thành phần quan trọng trong máy bơm bánh răng, giúp đảm bảo kín hoàn toàn Hai loại phớt làm kín phổ biến cho bơm bánh răng là phớt tết và phớt cơ khí Trong đó, phớt cơ khí có giá thành cao hơn nhưng chất lượng tốt hơn, mang lại hiệu suất hoạt động ổn định cho máy bơm.
Bạc lót trục trong bơm bánh răng đóng vai trò quan trọng trong việc đỡ và bảo vệ trục bơm, giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của trục Bộ phận này có thể là vòng bi hoặc bạc lót trục, đảm bảo sự ổn định và độ bền cho hệ thống bơm.
Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng (bơm bánh răng ăn khớp ngoài) 3
Bơm bánh răng hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn và nén chất lỏng trong điều kiện thể tích kín, với dung tích thay đổi Khác với các loại máy bơm khác, bơm bánh răng mang lại hiệu suất cao trong việc vận chuyển chất lỏng.
Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Toàn bộ quá trình làm việc của bơm theo trình tự nhất định sau:
Bánh răng chủ động bắt đầu hoạt động và kết nối với trục của máy làm máy quay, kéo theo bánh răng bị động Dung dịch được vận chuyển trong các rãnh bánh răng từ khoang hút đến khoang đẩy theo hình dạng vỏ bơm, trong khi khoang hút và khoang đẩy được ngăn cách với nhau.
Quá trình đẩy lên bắt đầu khi bánh răng khớp nối tại khoang đẩy, khiến dung dịch trong khoang này bị ép vào ống dẫn Đồng thời, cặp bánh răng tại khoang hút sẽ ra khớp, làm tăng dung tích khoang hút Kết quả là áp suất trong khoang hút giảm, tạo điều kiện cho chất lỏng di chuyển vào buồng hút.
Như vậy, toàn bộ quá trình hoạt động của bơm bánh răng công nghiệp đều phụ thuộc hoàn toàn vào các bánh răng đúng như tên gọi của nó
Trong nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng, khoang hút và khoang đẩy được thiết kế khép kín, được phân cách bởi các bề mặt tiếp xúc của bánh răng và lưới chắn.
Theo nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng, áp suất bơm phụ thuộc vào tải trọng Tuy nhiên, thực tế cho thấy khoang hút và khoang đẩy không hoàn toàn kín, dẫn đến khả năng rò rỉ chất lỏng Vì vậy, áp suất chất lỏng còn chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác.
Trong thực tế, bơm không thể đạt được độ kín hoàn toàn do hạn chế trong khả năng chế tạo Thêm vào đó, trong nhiều trường hợp, người ta cố ý tạo ra sự thoát lưu lượng, dẫn đến áp suất không chỉ phụ thuộc vào tải mà còn vào các yếu tố khác.
Để giảm áp suất làm việc của bơm, các nhà sản xuất bơm bánh răng thường trang bị một van an toàn trên đường ống đẩy Van này có chức năng điều chỉnh áp suất, giúp đẩy chất lỏng trở lại bể hút khi áp suất vượt quá mức cho phép hoặc khi đường ống đẩy bị tắc nghẽn.
Ưu điểm và nhược điểm của bơm bánh răng
Ưu điểm của bơm bánh răng
Máy bơm bánh răng nổi bật với tính dễ sử dụng và bảo trì, nhờ vào trọng lượng nhẹ giúp thuận tiện cho việc vận chuyển hàng ngày mà không tốn nhiều sức lao động Cấu trúc đơn giản và ít thành phần của máy bơm này cũng giúp việc sửa chữa khi gặp sự cố trở nên dễ dàng hơn.
Máy bơm bánh răng có chi phí thấp hơn so với máy bơm thông thường nhờ trọng lượng nhẹ và dễ dàng vận chuyển, giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển Quy trình bảo trì đơn giản và chi phí bảo trì thấp cũng góp phần làm cho máy bơm bánh răng trở nên kinh tế hơn, mang lại hiệu quả tiết kiệm chi phí.
Bơm bánh răng có hiệu suất cao, với tổn thất chất lỏng rất nhỏ Mặc dù cần sử dụng chất lỏng để bôi trơn ổ trục và bánh răng, thiết kế của bơm không thể tránh khỏi khe hở, điều này ảnh hưởng đến khả năng đạt hiệu suất tối đa Tuy nhiên, bơm bánh răng vẫn có thể đạt hiệu suất hoạt động từ 93% đến 98%.
Bơm bánh răng không nhạy cảm với sự thay đổi của độ nhớt và mật độ chất lỏng, cho phép duy trì lưu lượng ổn định ngay cả khi bộ lọc bên cạnh cổng xả bị bẩn hoặc tắc Điều này giúp bơm hoạt động hiệu quả cho đến khi đạt đến giới hạn cơ học của thiết bị, đồng thời làm cho bơm bánh răng ít bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm dầu, phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa dầu.
Nhược điểm của bơm bánh răng
Bơm bánh răng khó sửa chữa khi bị hao mòn do các bộ phận không thể thay thế cho nhau Mặc dù quy trình sửa chữa có thể đơn giản, nhưng khi các bộ phận bị mòn, việc phục hồi toàn bộ bơm trở nên gần như không khả thi.
Bơm bánh răng tạo ra tiếng ồn lớn do đặc điểm mất cân bằng lực hướng tâm và lưu lượng động mạch lớn, gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, đặc biệt là vào ban đêm Tiếng ồn này có thể làm gián đoạn công việc hoặc nghỉ ngơi của người khác, gây bất tiện Hơn nữa, sự hiện diện của các lực hướng tâm không cân bằng cũng có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của vòng bi.
Bánh răng không thể điều chỉnh độ dịch chuyển do rãnh giữa các răng của nắp cuối và bánh răng tạo thành các buồng làm việc kín cố định Vì vậy, bơm bánh răng chỉ có thể được sử dụng như một bơm định lượng.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Phần tĩnh (stator) hay phần cảm của động cơ điện bao gồm các cực từ và gông từ, trong đó các cực từ có lõi sắt được quấn dây quấn kích từ, tạo ra từ trường kích từ Đối với động cơ điện một chiều sử dụng nam châm vĩnh cửu, các cực từ chính là các cực của nam châm vĩnh cửu Ngoài ra, trên stator còn có nắp máy, hộp đấu dây và cơ cấu chổi than.
• Phần quay (rotor) hay phần ứng, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, trục và vành góp (cổ góp)
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Quá trình chuyển mạch của động cơ điện một chiều
Phần cảm được tạo ra từ thông kích của 𝛷 trên stator Phần ứng nhận điện áp một chiều 𝑉 𝑎 qua bộ chỉnh lưu cơ khí (cổ góp và chổi than), dẫn đến sự cảm ứng của sức điện động 𝐸 𝑎 trên rotor.
Mạch rotor khép kín tạo ra dòng điện phần ứng 𝐼 𝑎, giúp rotor quay nhờ lực tương tác điện từ giữa từ trường kích từ và dòng điện trong thanh dẫn Để giảm độ đập mạch mô men, việc sử dụng nhiều cuộn dây phần ứng là cần thiết.
Cấu trúc nhiều thanh dẫn để giảm độ đập mạch mô men
Mô hình hóa động cơ điện một chiều
Sơ đồ tương đương của động cơ điện một chiều
Các phương trình động học:
Mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đáp ứng tốc độ của động cơ điện một chiều
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
• Phương trình đặc tính cơ điện: 𝜔 𝑚 = 𝑉 𝑎
• Phương trình đặc tính cơ: 𝜔 𝑚 = 𝑉 𝑎
• Độ cứng đặc tính cơ: 𝛽 = 𝑑𝑇 𝑒
• Tốc độ không tải lý tưởng: 𝜔 0 = 𝑉 𝑎
𝐾𝛷 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ - điện của động cơ điện một chiều
• Dòng điện phần ứng khi khởi động: 𝐼 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 𝑉 𝑎
• Mô men điện từ khi khởi động: 𝑇 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 𝐾𝛷 𝑉 𝑎
Mô men khởi động Dòng khởi động
CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG
Máy bơm bánh răng
Giới thiệu chung về máy bơm bánh răng ZC-530
Để bơm chất lỏng trong ngành công nghiệp thực phẩm, việc lựa chọn máy bơm có công suất phù hợp là rất quan trọng Hai loại máy bơm phổ biến thường được sử dụng là máy bơm bánh răng và máy bơm ly tâm.
• Máy bơm ly tâm thường được sử dụng cho các ứng dụng bơm chất lỏng có độ nhớt thấp và lưu lượng cao
Máy bơm bánh răng là lựa chọn lý tưởng cho các chất lỏng có độ nhớt cao, và mẫu ZC-530 là một trong những sản phẩm nổi bật trong dòng máy này.
Máy bơm bánh răng ZC-530
Thông số kỹ thuật của máy bơm bánh răng ZC-530
• Điện áp hoạt động: 9 - 24 VDC
• Dòng điện định mức tại 1 kg tải: 1.2 A ± 10%
• Lưu lượng định mức tại 1 kg tải: 2.5 l/min ± 10%
• Thời gian làm việc liên tục: 10 giờ
Bản vẽ của máy bơm bánh răng ZC-530
Thiết bị điều khiển
Yêu cầu của thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển cần có khả năng tính toán và xử lý các tín hiệu điều khiển cũng như tín hiệu đo lường Nó thực hiện phép đo các biến quá trình, chẳng hạn như đo tần số xung vuông để tính giá trị lưu lượng phản hồi và đo tín hiệu điện áp analog để xác định giá trị dòng điện phản hồi Ngoài ra, thiết bị cũng xuất ra tín hiệu điều khiển, như tín hiệu PWM, để điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ Chúng tôi lựa chọn kit vi điều khiển STM32F103C8T6 cho ứng dụng này.
Giới thiệu về vi điều khiển STM32F103C8T6
Vi điều khiển STM32F103C8T6, sản phẩm của STMicroelectronics, là một vi điều khiển 32-bit hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử Với bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý nhanh và nhiều chức năng giao tiếp, STM32F103C8T6 trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau.
• Điều khiển đèn LED, động cơ,
• Đo nhiệt độ, đo áp suất, đo lưu lượng,…
• Dùng trong hệ thống điều khiển tưới nước, hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều khiển nhiệt độ,…
Hình ảnh kit vi điều khiển STM32F103C8T6 3.2.2.1 Cấu hình chân của vi điều khiển STM32F103C8T6
Kiểu chân Tên chân Mô tả
1 Điện áp hoạt động đầu ra
3 Chân nối đất Chân Analog PA0-PA7, PB0-PB1 Chân ADC độ phân giải 10, 12-bit
Chân I/O PA0-PA15, PB0-PB15,
PC13-PC15 37 chân I/O đa chức năng
Ngắt ngoài PA0-PA15, PB0-PB15,
PWM PA0-PA3, PA6-PA10,
PB0-PB1, PB6-PB9 15 chân điều chế độ rộng xung
Giao tiếp dữ liệu nối tiếp (UART)
TX3, RX3 Chân RTS, CTS USART
MISO0, MOSI0, SCK0, MISO1, MOSI1, SCK1, CS0
CAN CAN0TX, CAN0RX Chân Bus của mạng CAN
Chân dữ liệu I2C và chân xung nhịp Đèn LED tích hợp PC13 Đèn LED chỉ thị
3.2.2.2 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển STM32F103C8T6 Đặc tính và thiết bị ngoại vi Thông số
Kiến trúc vi mạch RISC
Debug đường truyền dữ liệu nối tiếp 1
Tốc độ CPU 72 MHz (tối đa)
Cổng kết nối USB Micro
Dòng điện sink/source 6 mA Điện áp hoạt động 2.0 V – 3.6 V
Bộ tạo dao động bên trong 4-16 MHz
Bộ hẹn giờ watchdog (WWDT) Có
3.2.2.3 Mạch nguyên lý của kit vi điều khiển STM32F103C8T6
Thiết bị đo lưu lượng
Cảm biến lưu lượng YF-S401 là giải pháp lý tưởng cho việc đo lường lưu lượng chất lỏng nhỏ trong ngành công nghiệp thực phẩm Thiết bị này nổi bật với kích thước nhỏ gọn và độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu khắt khe trong các ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến YF-S401 là thiết bị đo lưu lượng chất lỏng, lý tưởng cho các ứng dụng điện tử Với thiết kế dễ lắp đặt, cảm biến này phù hợp cho nhiều lĩnh vực, bao gồm hệ thống tưới nước và ngành công nghiệp thực phẩm.
Cảm biến lưu lượng YF-S401
Thông số kỹ thuật của cảm biến lưu lượng YF-S401
• Điện áp hoạt động: 3.5 ÷ 24 VDC
• Dòng điện tiêu thụ: ≤ 15 mA
• Dải đo lưu lượng: 0.3 ÷ 6 l/min
• Áp lực tối đa: 1.75 Mpa
✓ F: Tần số tín hiệu xung vuông ở đầu ra OUT (dây vàng) (Hz)
✓ Q: Lưu lượng chất lỏng chảy qua cảm biến (l/min)
Bảng tham chiếu đặc tính lưu lượng - xung
Thiết bị đo dòng điện
Giới thiệu chung về cảm biến ACS712ELCTR-05B-T
Với yêu cầu nhỏ gọn, độ chính xác cao, dễ kết nối và lập trình với vi điều khiển, ở đây, ta sử dụng cảm biến ACS712ELCTR-05B-T
ACS712 là một cảm biến dòng điện không tiếp đất (non-invasive current sensor) được sử dụng để đo dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện một chiều
(DC) Cảm biến ACS712 sử dụng nguyên lý Hall để đo lường dòng điện thông qua hiệu ứng ma sát điện từ trường
Cảm biến ACS712 thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ, đo lường năng lượng tiêu thụ,
Sơ đồ khối chức năng
Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS712ELCTR-05B-T
• Sai số: 1.5% tại nhiệt độ 25℃, 4% tại nhiệt độ từ -40 ÷ 85℃
• Điện áp hoạt động: 5 VDC
• Điện áp đầu ra khi dòng điện bằng 0 A tại 25℃: 0.5𝑉 𝑐𝑐
Cách sử dụng cảm biến ACS712ELCTR-05B-T
Dòng điện đầu vào của cảm biến được ký hiệu là Ia (A), trong khi điện áp đầu ra là Vin (mV), được tính theo công thức Vin = Ia*185 + 0.5*5000 = 2500 + 185*Ia (mV) Sau đó, điện áp Vin sẽ được xử lý qua một mạch lọc thông thấp và một mạch khuếch đại (nếu cần), trước khi được đưa vào chân ADC 12bit của kit vi điều khiển STM32F103C8T6.
Bộ ADC này sử dụng điện áp analog tham chiếu là 3.3 V, vì vậy giá trị điện áp đọc được từ bộ ADC sẽ là: Vout = (Giá trị ADC/4095) * 3300 (mV)
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TRONG
MIỀN PHỨC & MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM TRÊN MATLAB
Các tham số và mô hình của động cơ DC của máy bơm bánh răng ZC-530 21 Các tham số của động cơ DC của máy bơm bánh răng ZC-530 21 Mô hình của động cơ DC của máy bơm bánh răng ZC-530
Động cơ DC của máy bơm bánh răng ZC-530 sử dụng chổi than và được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
Từ thông số của máy bơm bánh răng ZC-530, kết hợp với việc đo đạc, tính toán, ta có các thông số của động cơ bơm như sau:
Mô hình của động cơ DC của máy bơm bánh răng ZC-530
Thiết kế mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ cho động cơ DC
Trước hết, cấu trúc của một hệ điều khiển nhiều mạch vòng như sau:
Thiết kế mạch vòng dòng điện
Cấu trúc mạch vòng dòng điện: Ở đây, ta sử dụng bộ biến đổi cầu H (DC/DC), nên ta có:
𝑓 𝑠𝑤 với 𝑓 𝑠𝑤 là tần số đóng cắt của van MOSFET/IGBT và 𝑇 𝑓𝑖 = 1
𝑇 𝑎 là hằng số thời gian của mạch phần ứng, 𝑇 𝑎 = 𝐿 𝑎
𝑅 𝑎 Đối tượng điều khiển của bộ điều khiển dòng điện:
(𝑇 𝑎 𝑠 + 1)(𝑇 𝑒 𝑠 + 1) là một khâu quán tính bậc 2 Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn, ta có bộ điều khiển dòng điện là bộ PI (𝐾 𝑝 (1 + 1
= 𝐿 𝑎 2𝑇 𝑒 Mạch vòng dòng điện khi đó:
Để bù đắp ảnh hưởng của sức phản điện động 𝐸 𝑎, chúng ta cần hiệu chỉnh cấu trúc điều khiển dòng điện bằng cách thêm bộ điều khiển Feedforward.
Với 𝑇 𝑓𝑣 là hằng số thời gian quán tính của khâu đo tốc độ
Thiết kế mạch vòng tốc độ
Cấu trúc mạch vòng tốc độ: Đối tượng điều khiển của bộ điều khiển tốc độ:
𝑊 𝑉 là một khâu tích phân - quán tính bậc nhất Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng, ta có bộ điều khiển tốc độ là bộ PI (𝐾 𝑝𝑣 (1 + 1
=𝑇 𝑀𝑒𝑐ℎ 2𝑇 𝑒𝑞 Để giảm độ quá điều chỉnh, ta có thể thêm một khâu tiền xử lý có dạng:
𝑇 𝑠𝑝𝑣 𝑠+1 (với 𝑇 𝑠𝑝𝑣 = 2𝑇 𝑖𝑣 ) trước khi đưa vào Setpoint của bộ điều khiển tốc độ
Mạch vòng tốc độ khi đó:
Chống bão hõa tích phân cho bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển tốc độ
Các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển PI cần phải nằm trong dải giá trị cho phép Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển dòng điện có giá trị tối đa là ±𝑈 𝑎𝑁, trong khi tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển tốc độ được thiết lập với giá trị tối đa là ±2𝐼 𝑎𝑁.
Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện được hiệu chỉnh như sau:
Tương tự, cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ được hiệu chỉnh như sau:
Mô phỏng trên Matlab Simulink với mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ vừa thiết kế
Hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ DC:
Bộ điều khiển dòng điện:
Bộ điều khiển tốc độ:
Thiết kế mạch vòng lưu lượng cho lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm
Thiết kế mạch vòng lưu lượng
Lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ bơm
Mô hình đối tượng lưu lượng cho thấy hàm truyền đạt thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm và tốc độ quay của động cơ bơm.
60000𝜋∗𝑁 𝑁 = 5.2285 10 −7 (𝑚 3 /𝑟𝑎𝑑) là hằng số lưu lượng bơm (𝐹𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 2.5 𝑙/𝑚𝑖𝑛 là lưu lượng bơm định mức) Ở đây, ta giả sử 𝐿 𝑓𝑙 = 0.25 (𝑠) (do cảm biến lưu lượng đặt cách xa buồng bơm một đoạn) và 𝜏 𝑓𝑙 = 0.05 (𝑠)
Khi đó, cấu trúc mạch vòng lưu lượng: Đối tượng điều khiển của bộ điều khiển lưu lượng:
(𝐿 𝑓𝑙 𝑠 + 1) ((𝜏 𝑓𝑙 + 𝑇 𝑓𝑓𝑙 )𝑠 + 1) là một khâu quán tính bậc 2 Ở đó 𝐿 𝑓𝑙 > (𝜏 𝑓𝑙 + 𝑇 𝑓𝑓𝑙 ) Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn, ta có bộ điều khiển lưu lượng là bộ PI
Bộ điều khiển PI lưu lượng được cải thiện với khả năng chống bão hòa tích phân, trong đó 𝑇 𝑡𝑓𝑙 = 𝑇 𝑖𝑓𝑙 Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển này có giá trị giới hạn là ±𝑁 𝑁.
Khi mô phỏng kiểm nghiệm, đáp ứng của hệ thống chưa được tốt Vì vậy, ta hiệu chỉnh tham số của bộ PI lưu lượng như sau:
Mô phỏng trên Matlab Simulink với mạch vòng lưu lượng vừa thiết kế
Hệ thống điều khiển lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm:
Bộ điều khiển lưu lượng:
Thiết kế mạch vòng thể tích cho thể tích chất lỏng cần bơm
Thiết kế mạch vòng thể tích Ở đây, ta không đo trực tiếp thể tích chất lỏng đã bơm mà ta sẽ ước lượng nó nhờ biểu thức:
Vì vậy, hàm truyền đạt thể hiện mối quan hệ giữa thể tích chất lỏng đã bơm và lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm là:
𝑠 Khi đó, cấu trúc mạch vòng thể tích:
Bộ điều khiển thể tích chỉ cần sử dụng bộ điều khiển P do đã tích hợp khâu tích phân, giúp loại bỏ hoàn toàn sai lệch tĩnh.
Ta sẽ chọn tham số 𝐾 𝑝𝑣𝑜𝑙 cho bộ P thể tích phù hợp
Qua quá trình kiểm nghiệm một số giá trị 𝐾 𝑝𝑣𝑜𝑙 , ta thấy với giá trị 𝐾 𝑝𝑣𝑜𝑙 0.35 thì hệ thống có đáp ứng khá tốt
Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển thể tích có giá trị giới hạn là ±𝐹𝑙 𝑚𝑎𝑥
Mô phỏng trên Matlab Simulink với mạch vòng thể tích vừa thiết kế
Hệ thống điều khiển thể tích chất lỏng được bơm:
Bộ điều khiển thể tích:
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN Đề tài "Điều khiển động cơ DC công suất nhỏ - ứng dụng điều khiển bơm nước (lưu lượng và thể tích)" đã đem đến một cái nhìn tổng quan về một hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng trong thực tế Nhờ đề tài này, chúng em đã vận dụng được các kiến thức đã học về Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Điện tử công suất, Truyền động điện, Từ đó, củng cố kiến thức vững chắc hơn cũng như bước đầu giúp chúng em biết cách phân tích, đánh giá, thiết kế một hệ thống điều khiển tự động trong thực tế
Kết quả mô phỏng kiểm nghiệm bằng công cụ Matlab Simulink cho thấy sự phù hợp hoàn hảo, điều này chứng tỏ tính khả thi cao của đề tài khi triển khai trong thực tế.
Trong thời gian tới, nhóm chúng em sẽ nỗ lực triển khai trên thiết bị thực tế trong hệ thống nhúng, áp dụng kiến thức đã học về Điện tử tương tự, Điện tử số và Vi xử lý.