Báo cáo cuối kì môn robot công nghiệp

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu

Đại học Bách khoa Hà N i ộ

Trường Điện – Điện t ử

Giáo viên hướng d n: ẫ Trần Văn Tuấn Khoa T ng hóaự độ , Trường Điện – Điệ ửn t

Contents

ĐIN 7

1.1 C u trúc và phân loấ ại hệ thống truyền động điện 7

C u trúc chung c a hấ ủ ệ truyền động điện 7

Phân loại hệ thống truyền động điện 8

1.2 Đặc tính cơ của truyền động điện 10

Đặc tính cơ của cơ cấu s n xuất 10ả Đặc tính cơ c a động cơ điện 11ủ Độ cứng c a đ c tính cơủ ặ 13

S phù h p giự ợ ữa đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của cơ cấu s n xu t ả ấ 14 CHƯƠNG 2 ĐNG CƠ ĐIN 1 CHIU 15

2.1 Khái niệm v ề động cơ 1 chiều 15

2.2 C u t o và phân loấ ạ ại động cơ điện 1 chi u 15ề 2.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chi u 16ề 2.4 Ưu, nhược điểm và ứng d ng cụ ủa động cơ điện 1 chi u 16ề CHƯƠNG 3 B BIẾN DỔI ĐIN ÁP 1 CHIU 17

3.1 Phân lo i 17ạ Sơ đồ cơ bản của bộ biến đổi 17

3.2 Nguyên lý hoạt động 17

CHƯƠNG 4 ĐI U CHẾ Đ RNG XUNG B ẰNG PHƯƠNG PHP PWM 18

4.1 Khái niệm chung v PWM 18ề 4.2 Nguyên lý hoạt động 18

Giá trị điện áp ra 20

4.3 Những các điều ch r ng xung b ng PWM 21ế độ ộ ằ Kỹ thuật thực hiện điều ch rế độ ộng xung đơn 22

Điều ch r ng xung dếđộ ộ ải trễ 23

Điều ch r ng xung cếđộ ộ ủa vector không gian 23

4.4 Ứng d ng PWM 24ụ CHƯƠNG 5 GIỚI THIU LINH KIN MẠCH ĐIU CHỈNH 24

5.1 Lm324 24

Sơ đồ chân 25

Các thông s k thuố ỹ ật và tính năng của IC LM324 26

5.2 LM3524 27

Nguyên lý hoạt động 28

Thông số k ỹ thuật 35

CHƯƠNG 6 THIẾ T KẾ M ẠCH ĐI U CHỈNH 35

6.1 Sơ đồ ạch điề m u ch nh 35ỉ 6.2 Khối tạo dao động 36

6.3 Khối điều khi n 36ể 6.4 Khối điểu ch nh 37ỉ 6.5 Khối động cơ 38

6.6 M ch mô ph ng 39ạ ổ 6.7 Kết quả 40

Figure 1: C u trúc h ấ ệ thống truyền động điện 7

Figure 2 : Đường đặc tínhh w 11

Figure 3 : B ng Thông S 11ả ố Figure 4 : Các tr ng thái làm viạ ệc của động cơ điện 13

Figure 5: Độ cứng của đặc tính cơ 13

Figure 6 : C u t o cấ ạ ủa động cơ điện 1 chi u 15ề Figure 7 : Nguyên t c hoắ ạt động động cơ điện 1 chi u 16ề Figure 8 : Điện áp ổn định 17

Figure 9 : Nguyên lý hoạt động 17

Figure 10 : Ví d PWM 18ụ Figure 11 : Nguyên lý t o m ch PWM 19ạ ạ Figure 12 : D ng sóng ngõ vào và ngõ ra c a b ạ ủ ộ so sánh 19

Figure 13 : Độ rộng xung 20

Figure 14 : Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 21

Figure 15 : Độ ộng xung đơn r 22

Figure 16 : Xung bậc 3 23

Figure 17 : LM324 25

Figure 18 : Các thông s k ố ỹ thuật 26

Figure 19 : LM3524 27

Figure 20 : Điện áp tối đa đặt vào 29

Figure 21 : T n s ầ ố dao động 30

Figure 22 : Chu k ỳ dao động 31

Figure 23 : Th i gian t t 32ờ ắ Figure 24 : Dòng điện bù 32

Figure 25 : Đầu vào tham chiếu 33

Figure 26 : Đầu ra đẩy kéo 33

Figure 27 : B ộ chỉnh nghịch lưu 34

Figure 28 : Ch s k thu t 35ỉ ố ỹ ậ Figure 29 : Sơ đồ khối 36

Figure 30: Khối tạo dao động 36 Figure 31 : Khối điều khi n 37ể

Figure 34 : M ch mô ph ng 40ạ ổ

Bài nghiên c u này t p trung vào thi t k mứ ậ ế ế ạch điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều sử dụng phương pháp PWM Chúng em giải quy t các thách th c trong viế ứ ệc điều khi n tể ốc độ, bao

gồm cách làm cho động cơ hoạt động ổn định, giảm độ chấn động và đảm bảo độ chính xác trong vi c duy trì tệ ốc độ

Chúng em ẽ s trình bày m c tiêu c a nghiên cụ ủ ứu, đặt vấn đề, và gi i thi u ng n g n v ớ ệ ắ ọ ềphương pháp PWM và cách nó được ứng dụng trong việc điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều Bài nghiên c u này mong mu n góp phứ ố ần vào s hi u biự ể ết và áp d ng hiụ ệu qu cả ủa công nghệ điều khiển trong lĩnh vực này, nhằm đáp ứng yêu c u ngày càng cao v hi u ầ ề ệsuất và tiết kiệm năng lượng trong s n xu t và cuả ấ ộc sống hàng ngày

CHƯƠNG 1 NHNG KHI NIM CƠ BN V H THNG TRUYN ĐNG

ĐIN

1.1 Cấu trúc và phân lo i h ạ ệ thống truyền động điện

Cấu trúc chung c a h truy ủ ệ ề n đ ng đi ộ ện

Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điện thì gọi là truyền động điện (TĐĐ)

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện

từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất

Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điệ nói chung bao gồm các khâu:n

Figure 1: Cấu trúc h ệ thống truyền động điện

1 BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một

chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát động cơ (hệ F Đ), các - -chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần

2 Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng

thành điện năng (khi hãm điện)

Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc; động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cữu; động cơ xoay chiều đồng bộ

3 TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mômen, lực Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ

4 CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ tải trọng, dịch chuyển ).-

5 ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ,

động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực

Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn)

Một số hệ TĐĐ tự động khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các bộ vi xử lý, PLC Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang

Một hệ thống TĐĐ không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên Tuy nhiên, một hệ thống TĐĐ bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:

- Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện

- Phần điều khiển

Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, và được gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt giá trị mong muốn

Phân loại h ệ thống truyề n đ ng đi ộ ện

Người ta phân loại các hệ truyền động điện theo nhiều cách khác nhau tùy theo đặc điểm của động cơ điện sử dụng trong hệ, theo mức độ tự động hoá, theo đặc điểm hoặc chủng loại thiết bị của bộ biến đổi Từ cách phân loại sẽ hình thành tên gọi của hệ

1.1.2.1 Theo đặc điểm của động cơ điện:

- Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều Truyền động

điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen,

nó có chất lượng điều chỉnh tốt

Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế

- Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không

đồng bộ Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều

Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng

bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ

có điều khiển tần số Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động một chiều

- Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha

Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW

Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng

bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W đến hàng MW

1.1.2.2 Theo tính năng điều ch nh: ỉ

- Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một

tốc độ nhất định

- Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta

có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí

1.1.2.3 Theo thi t b biế ị ến đổi:

- Hệ máy phát động cơ (F Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từ - một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện)

-Thuộc hệ này có hệ máy điện khuếch đại động cơ (MĐKĐ Đ), đó là hệ có - - BBĐ là máy điện khuếch đại từ trường ngang

- Hệ chỉnh lưu động cơ (CL Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một -

-bộ chỉnh lưu (BCL) Chỉnh lưu có thể không điều khiển (Điôt) hay có điều khiển (Thyristor)

1.1.2.4 Một số cách phân lo i khác: ạ

Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số cách phân loại khác như truyền động đảo chiều và không đảo chiều, truyền động đơn (nếu dùng một động cơ) và truyền động nhiều động cơ (nếu dùng nhiều động cơ để phối hợp truyền động cho một cơ cấu công tác), truyền động quay và truyền động thẳng,

1.2 Đặc tính cơ của truyền động điện

Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay:

Trong đó:

M clà mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ ω

M c0là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ ω = 0

M đmlà mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ định mức ωđm

-1 ~ 1 Const Ứng với trường hợp đặc tính cơ của cơ cấu máy quấn dây, cuốn giấy, cơ cấu truyền động chính của các máy

cắt gọt kim loại như máy tiện

0 Const ~ ω Các cơ cấu nâng hạ, băng tải, máy nâng vận chuyển,

-truyền động ăn dao máy gia công kim loại

1 ~ ω ~ ω2 Máy phát điện một chiều với tải thuần trở

2 ~ ω2 ~ ω3 Đặc tính cơ của các máy thủy khí: bơm, quạt, chân vịt

tàu thủy

Figure 3 : B ng Thông S ả ố

Đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: ω = f(M)

Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích trong chương 2

Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông

số như điện áp, dòng điện của động cơ là định mức theo thông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng

Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông

số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng hoặc có sự thay đổi mạch nối

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ: ω = f(I) hay n = f(I)

Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất

cơ P = M.ω cấp cho máy (sau khi đã có tổn thất ΔP).cơ

Công suất cơ P có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiều với cơtốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động

cơ sinh ra ngược chiều tố độ quay

Công suất điện Pđiệncó giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn.Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm:

Trạng thái động cơ và trạng thái hãm Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ω(M) ở 4 góc phần tư như sau:

- Góc phần tư I, III: Trạng thái động cơ

- Góc phần tư II, IV: Trạng thái hãm

Figure 4 Các tr ng thái làm vi c c: ạ ệ ủa động cơ điện

Đặc tính cơ có độ cứng β càng lớn thì tốc độ càng ít bị thay đổi khi mômen thay đổi ở trên hình vẽ, đường đặc tính cơ 1 cứng hơn đường đặc tính cơ 2 nên với cùng một biến động ΔM thì đặc tính cơ 1 có độ thay đổi tốc độ Δω nhỏ hơn độ thay 1đổi tốc độ Δω cho bởi đặc tính cơ 2.2

S ự phù h p gi ợ ữa đặc tính cơ của động cơ điệ n và đ ặc tính cơ của cơ cấu

Trong hệ TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ cấu sản xuất Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ và đặc điểm riêng và máy sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt Động

cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểm riêng Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ Để hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu sản xuất phải có một sự phù hợp tương ứng nào đó Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế

Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho đường đặc tính cơ của động cơ càng gần với đường đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt Nếu đảm bảo được điều kiện này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ cấu sản xuất khi mômen cản thay đổi

và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất

CHƯƠNG 2 ĐNG CƠ ĐIN 1 CHIU

2.1 Khái niệm v ề động cơ 1 chiều

Động cơ một chi u DC (DC là t vi t t t cề ừ ế ắ ủa Direct Current Motors) là động cơ được điều khi n bể ằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy b ng ằnguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

2.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chi u ề

C u t o cấ ạ ủa động cơ điện 1 chiều thường g m nh ng b phồ ữ ộ ận chính như sau:

Stator: là 1 hay nhi u cề ặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để ạo thành nam châm điệ t n

Chổi than (brushes): gi nhiữ ệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

Cổ góp (commutator): làm nhi m vệ ụ tiếp xúc và chia nh nguỏ ồn điện cho các cu n dây ộtrên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc s ẽ tương ứng vớ ố cuộn dây trên rotor i s

Figure 6 : Cấ ạu t o của động cơ điện 1 chi u ề

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có th ể chia động cơ điện 1 chi u thành nh ng dòng chính ề ữnhư sau:

Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

nghi p giao thông v n t i, và các thi t b cệ ậ ả ế ị ần điều khi n tể ốc độ quay liên t c trong ph m vi ụ ạ

CHƯƠNG 4 ĐIU CHẾ Đ RNG XUNG BẰNG PH ƯƠNG PHÁP PWM 4.1 Khái ni m chung v PWM ệ ề

Phương pháp điều xung PWM (tiếng anh Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải Nói dễ hiểu đây là phương pháp giúp điều chế dựa trên sự thay đổi độrộng chuỗi xung vuông, làm thay đổi điện áp ra

Các PWM khi biến đổi sẽ có cùng 1 t n s , khác nhau v ầ ố ề độ r ng cộ ủa sườn dương hay sườn

âm

Figure 10 : Ví d Pụ WM

4.2 Nguyên lý hoạt động

Figure 11 : Nguyên lý t o m ch PWM ạ ạ

Figure 12 : D ng sóng ngõ vào và ngõ ra c a b so sánh ạ ủ ộ

Figure 13 : Độ ộ r ng xung

Giá tr ị điện áp ra

PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu k c a ngu n c a t i Khi van G mỳ ủ ồ ủ ả ở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải Khi van đóng, tả ị cắi b t nguồn điện áp

Vì vậy, trong su t chu k ố ỳ đóng mở van G này, tải sẽ có lúc nhận được toàn bộ nguồn điện

áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hoàn toàn không nhận được gì