HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐẨY PHỤC VỤ CHO PHƢƠNG TIỆN THỦY DƢỚI NƢỚC Trần Quốc Tiến Dũng1 , Trần Ngọc Huy1* , Võ Thanh Lợi1 Lê Mạnh Cầm1 , Châu Thanh Hải2 Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống, ĐHQG TP HCM TÓM TẮT: Nghiên cứu phát triển thiết bị đẩy hỗ trợ phương tiện thủy nước hướng nghiên cứu phát triển ngồi nước Hiện có nhiều công nghệ tiên tiến ứng dụng cho thiết bị đẩy từ việc lựa chọn động đến việc bảo vệ chống thấm nước cho thiết bị Bài báo trình bày hướng nghiên cứu mới, việc ứng dụng động điện chiều không chổi than (BLDC) kết hợp với cấu khớp nối từ để bảo vệ động Động BLDC dần thay động DC khác ưu điểm đặc tính moment tốt, hiệu suất cao, đáp ứng động học nhanh, tuổi thọ cao, vận hành êm ái, gây tiếng ồn,… Cơ cấu khớp nối từ hướng phát triển tốt so với phương pháp truyền thống sử dụng O-ring để chống thấm nước Ngoài ra, việc sử dụng cấu khớp nối từ giúp chống tải tăng tuổi thọ cho động chân vịt Bài báo chia làm ba phần, phần đầu trình bày số kết nghiên cứu thiết kế khí, phần thứ hai trình bày kết nghiên cứu, phương pháp mô điều khiển tốc độ động mơ MATLAB/SIMULINK phần cuối trình bày số kết thực nghiệm điều khiển tốc độ động chiều khơng chổi than Từ khóa: khớp nối từ, BLDC, PID, UUV GIỚI THIỆU Ngày nay, thiết kế chế tạo robot nước nghiên cứu phát triển hỗ trợ thay người làm việc vùng nước sâu, vùng nước bị ô nhiễm làm việc thời gian dài nước [1] Việt Nam có lợi quốc gia có đường bờ biển dài 3000 km, vùng biển rộng lớn, có nhiều hệ thống đảo quần đảo, nguồn tài nguyên biển đảo đa dạng phong phú Do đó, hoạt động kinh tế, khoa học, du lịch bảo vệ chủ quyền biển diễn sơi động Q trình xây dựng khai thác cơng trình nảy sinh nhu cầu lớn việc tiến hành thăm dò, khảo sát thực cơng việc nước Các thiết bị đẩy sử dụng cho phương tiện thủy nước bán với giá thành cao phải nhập từ nước Cho nên nhu cầu làm chủ công nghệ tiến tới thiết kế, chế tạo thiết bị đẩy cho phương tiện nước phục vụ cho an ninh, quốc phòng đời sống dân sinh đòi hỏi tất yếu cấp thiết [2] Trang 48 Bài báo tập trung việc nghiên cứu, thiết kế thiết bị đẩy nước, xây dựng mơ hình mơ thực nghiệm điều khiển tốc độ thiết bị đẩy MỘT SỐ KẾT QUẢ THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn ý tƣởng thiết kế Thiết bị đẩy thiết kế phải làm từ vật liệu có khả chống ăn mòn tốt, chịu áp lực độ sâu 100 m, trọng lượng thiết bị đẩy không nặng Do làm việc môi trường nước nên phải đảm bảo thiết bị đẩy phải kín nước hoạt động khoảng nhiệt độ từ 30C đến 23,80C Giá trị lực đẩy liên tục vào khoảng 4-5 kgf công suất động vào khoảng 300-400 W Qua q trình so sánh phân tích ý tưởng, nhóm nghiên cứu định việc thiết kế phải chia thành module để phù hợp theo yêu cầu kích thước, động điều kiện để vận hành thiết bị gồm: vỏ thiết bị, động BLDC, khớp nối từ, chân vịt ống đạo lưu HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Sơ đồ hoạt động thiết bị đẩy khả chịu áp lực vỏ độ sâu 100 m Sử dụng kết tính tốn để chọn chiều dày nhỏ vỏ thiết bị sau lên phương án thiết kế để vừa đảm bảo việc gia công lắp ghép dễ dàng đảm bảo an toàn cho thiết bị độ sâu 100 m Hình Mơ hình 3D thiết bị đẩy Kết mô trường hợp áp lực tác động lên thành vỏ 142 psi (Hình 4) cho thấy với độ dày thân vỏ thiết bị mm áp lực lớn tác động 47,077 MPa, giới hạn biến dạng vật liệu lên tới 275 MPa Do việc lựa chọn độ dày vỏ phụ thuộc vào việc thiết kế Hình cho thấy kết mô ứng suất tác động lên vỏ chi tiết 2.2 Tính tốn sức bền vỏ động đẩy Mục tiêu nhóm thiết kế đề thiết bị hoạt động độ sâu 100 m, ứng với áp suất 142 psi Qua trình nghiên cứu, nhóm chọn vật liệu hợp kim nhôm 6061-T6 làm vật liệu cho vỏ thiết bị với ưu điểm độ bền cao, chống ăn mòn tốt nước biển điều kiện khí quyển, độ bền kéo 310 MPa (45000 psi) ứng suất chảy dẻo 275 MPa (40000 psi) Để đảm bảo thiết bị đẩy làm việc tốt mơi trường ngập nước, nhóm tiến hành nghiên cứu hình dáng, độ dày chi tiết nhằm đảm bảo cho quy trình cơng nghệ gia cơng thực dễ dàng xác Hình Trường ứng suất Von Mises tác động lên thân đầu vỏ thiết bị đẩy Hình Chia lưới thành vỏ (độ dày mm) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC 3.1 Mơ hình tốn động Hình Mơ hình hóa động BLDC Hình Trường ứng suất Von Mises tác động lên thành ống dày 1mm Vỏ thiết bị phân tích module Simulation phần mềm SolidWorks (Hình 3) Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn Mơ hình động BLDC thể Hình 6, pha stator có điện trở R, điện cảm L-M (với L tự cảm pha, M hỗ cảm pha) Khi động quay, cuộn xuất suất phản điện (back EMF) ea, eb, ec hình vẽ Từ sơ đồ mạch ta rút cơng thức: Trang 49 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM ia ib ic (1) d Vab R ia - ib L - M ia - ib eab (2) dt d Vbc R ib - ic L - M ib - ic ebc (3) dt Từ (1), (2) (3) suy ra: d R ib ib dt L-M 2Vb - Va - Vc - 2eb ea ec (4) 3 L - M Từ (4) suy phương trình tương tự cho pha A pha C, ta có hệ phương trình vi phân: ia d R ib dt LM ic 1 0 ia 0 0 i b 0 ic 2Va - Vb - Vc - 2ea eb ec 2V - V - V - 2e e e (5) b a c b a c 3 L M 2Vc - Va - Vb - 2ec ea eb Với ω tốc độ quay rotor, Tl moment tải, J moment quán tính, B hệ số giảm chấn, ta có cơng thức tính moment điện từ Te: Te = ea ia eb ib ec ic (6) Te Tl J d + B dt (7) 3.2 Các mơ hình điều khiển tốc độ động Trong mơ hình điều khiển tốc độ vòng [3] (Hình 7), tín hiệu cảm biến Hall đọc vị trí rotor vào khối Commutation để tạo tín hiệu điều khiển khóa bán dẫn đưa vào khối Inverter, cấp điện cho động BLDC Bộ điều khiển so sánh tốc độ đặt với tốc độ thực, thực điều chỉnh độ rộng xung PWM, thay đổi điện áp DC cấp cho Inverter Mơ hình điều khiển vòng [4] (Hình 8) gồm hai vòng hồi tiếp: bên điều khiển dòng điện theo phương pháp dòng điện trễ, bên điều khiển tốc độ So với điều khiển vòng mơ hình có thêm điều khiển dòng điện trễ (Hysteresis Current Controller) điều khiển dòng điện pha [5] Bộ điều khiển sử dụng điều khiển PID Có nhiều phương pháp để xác định hệ số Kp, Ki Kd, thơng dụng phương pháp Ziegler-Nichols Các hệ số PID điều khiển phần mô Kp = 0,015, Ki = 10 Kd = 0,00002 cho mơ hình vòng, Kp = 0,016, Ki = 0,14 Kd = 0,000002 cho mơ hình vòng Hình Mơ hình điều khiển vòng hồi tiếp Hình Mơ hình điều khiển vòng hồi tiếp 3.3 Kết mô Trang 50 Mô hình điều khiển tốc độ động BLDC thiết kế sử dụng công cụ Simulink phần mềm MATLAB Trong thực mô HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM theo hai phương pháp điều khiển vòng vòng hồi tiếp, với sơ đồ thiết kế dựa vào sơ đồ Hình Hình Trong sơ đồ, ta khảo sát đáp ứng tốc độ, ngồi quan sát thêm moment điện từ dòng điện pha stator, từ rút kết luận khác biệt chất lượng sơ đồ vòng vòng Động BLDC phần mơ động TMB(S)-7646-A hãng KOLLMORGEN [6] Đáp ứng tốc độ khảo sát trường hợp: đầu tiên, tốc độ đặt không đổi 1500 rpm, moment tải tăng từ 0,5 Nm lên Nm thời điểm t = 0,2 s; trường hợp thứ hai moment tải đặt cố định 0,5 Nm tốc độ đặt thay đổi 1500-1000-500 rpm Từ đồ thị Hình Hình 10 ta thấy mơ hình vòng cho đáp ứng tốc độ nhanh hơn, nhiên moment tải thay đổi đột ngột thời gian phục hồi dài Mơ hình vòng cho moment điện từ Te có dao động nhỏ hẳn moment tải lớn (0,4 N.m so với mơ hình vòng 1,3 N.m) Ngồi ra, mơ hình vòng cho đáp ứng có dòng điện pha A stator có dạng hình chữ nhật giống với dạng suất phản điện lý thuyết Còn mơ hình vòng dòng điện qua stator bị nhấp nhơ, lý dẫn đến dao động moment điện từ có biên độ cao Như thực tế, mơ hình vòng giúp cho động hoạt động tốt ổn định hơn, thời gian hoạt động dài so với mơ hình vòng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Thiết kế mạch phần cứng Phần cứng thiết kế để thực nghiệm điều khiển động theo mơ hình vòng hồi tiếp, gồm có khối chính: khối mạch điều khiển, khối mạch cơng suất khối mạch truyền thông Khối mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển dsPIC30F2010 hãng Microchip [7] chuyên hỗ trợ điều khiển động BLDC có kích thước nhỏ gọn Khối mạch công suất dựa thiết kế khung sườn thiết bị đẩy để thiết kế hình dạng chuẩn cho board mạch driver Phần mạch driver, nhóm nghiên cứu lựa chọn MOSFET IRF3710 nhờ ưu điểm khả ngắt điện tốt, tần số làm việc cao nhạy cảm với nhiệt độ Khối mạch truyền thông hỗ trợ chuẩn giao tiếp nối tiếp (USART) để truyền nhận liệu máy tính vi điều khiển Hình Đáp ứng tốc độ điều khiển PID vòng vòng Hình 10 So sánh moment điện từ dòng điện stator pha A hai mơ hình Trang 51 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM phần Command; thiết lập thông số PID, thời gian lấy mẫu điều khiển PID thiết lập tốc độ đặt phần PID Controller Phần cuối thu thập số liệu từ vi điều khiển, xuất liệu excel để quản lý vẽ đồ thị tốc độ KẾT LUẬN Hình 11 Mơ hình 3D mạch điều khiển (trên) hình ảnh thực tế (dưới) 4.2 Thiết kế giao diện ngƣời dùng Việc lựa chọn động BLDC khớp nối từ điểm thiết kế, chế tạo thiết bị đẩy nước Đảm bảo tính ổn định, dễ điều khiển từ gia tăng tuổi thọ làm việc thiết bị Theo kết mô lên thành vỏ thiết bị, kết luận độ dày nắp vỏ mm đủ để chống lại áp lực tối đa 47,077 MPa độ sâu 100 m Kết mô điều khiển tốc độ động BLDC mơ hình vòng hồi tiếp (moment tốc độ động cơ) có nhiều ưu điểm tốt tốc độ, moment điện từ dòng điện pha so với mơ hình vòng hồi tiếp Phần cứng trình thực nghiệm kiểm tra thực với kết tốt, nhiên thực nghiệm hồn thành cho mơ hình vòng hồi tiếp Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tiến hành gia công lắp ráp thiết bị để kiểm tra mơi trường phòng thí nghiệm thực tế; tiếp tục nghiên cứu cải thiện tính hiệu suất, thời gian hoạt động liên tục thiết bị, giảm chi phí q trình gia cơng, lắp ráp Hình 12 Mơ hình điều khiển thực nghiệm Giao diện người dùng (Graphical User Interface, GUI) thiết kế chia làm khối Hình 13 Khối thứ thiết kế cho phép thiết lập kết nối với cổng COM Khối thứ hai khối điều khiển động cơ, bao gồm dừng động (STOP), thiết lập chu kỳ PWM (Duty Cycle) Lời cảm ơn: Cơng trình nghiên cứu thực Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống tài trợ ĐHQG TP HCM đề tài mã số C2017-20b-01 Hình 13 Kết điều khiển tốc độ động thực nghiệm Trang 52 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tran, N.H., Choi, H.S., et al Design, Control, and [4] Z Li, G Gao Study of Brushless DC Motor Control Implementation of a New AUV Platform with a System with Current Hysteresis Loop, Lecture Mass Shifter Mechanism, International Journal of Notes in Electrical Engineering, vol 154, Springer, Precision Engineering and Manufacturing, Vol.16, London, 1431-1437 (2012) No.7, June 2015, pp 1599-1608 [5] Roger C Becerra, Mehrdad Ehsani High-speed [2] K Muljowidodo, N Sapto Adi, Nico Prayogo, Agus torque control of brushless Permanent Magnet Budiyono Design and testing of underwater Motors, thruster for SHRIMP ROV – ITB, 2009 Indian Electronics, Vol 35, 402-406 (1988) Journal of Marine Sciences BLDC Motor Based on Fuzzy Logic, International of Computer, Transactions [6] KOLLMORGEN TBM(S) [3] M Marimuthu, J Rajaih Enhance the Modeling of Journal IEEE Electrical, Automation, Control and Information Engineering, Vol 9, 649- TM on Industrial Motor Selection Guide (www.kollmorgen.com) [7] Microchip Application Notes AN957, Sensored BLDC Motor Control Using dsPIC30F2010 (www.microchip.com) 655 (2015) A RESEARCH ON DESIGNING AND IMPLEMENTING THRUSTER FOR UNDERWATER VEHICLE ABSTRACT Studying and developing thrusters for dynamic response, high durability, quiet operation underwater vehicles has become a new trend with low noise Meanwhile, magnetic coupling which is growing on local and global scale There offers much better waterproofing property than are now many innovative technologies applied to conventional method using O-ring It also thrusters, from the selection of proper motor to the improves overload protection and durability for waterproof of the thruster This paper will present motor and propeller The paper is divided into a new research on the application of brushless three sections First section describes the DC motor (BLDC) combined with the magnetic mechanical design; the second one is the coupling mechanism to protect the motor The simulation of speed control for BLDC motor using BLDC motor has gradually replaced other DC MATLAB/SIMULINK while the third shows some motors with some advantages such as good experimental results that have been conducted torque characteristics, high performance, fast Keywords: magnetic coupling, brushless DC motor, PID, UUV Trang 53 ... (dưới) 4.2 Thiết kế giao diện ngƣời dùng Việc lựa chọn động BLDC khớp nối từ điểm thiết kế, chế tạo thiết bị đẩy nước Đảm bảo tính ổn định, dễ điều khiển từ gia tăng tuổi thọ làm việc thiết bị. .. lựa chọn độ dày vỏ phụ thuộc vào việc thiết kế Hình cho thấy kết mơ ứng suất tác động lên vỏ chi tiết 2.2 Tính tốn sức bền vỏ động đẩy Mục tiêu nhóm thiết kế đề thiết bị hoạt động độ sâu 100 m,... kích thước nhỏ gọn Khối mạch công suất dựa thiết kế khung sườn thiết bị đẩy để thiết kế hình dạng chuẩn cho board mạch driver Phần mạch driver, nhóm nghiên cứu lựa chọn MOSFET IRF3710 nhờ ưu điểm