Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ cân băng định lượng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG LUẬN VĂN THẠC SỸ THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đạ i học Thá i Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đạ i học Thá i Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Khánh Hoàng Sinh ngày: 13 tháng năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Ban Tổ chức Tỉnh ủy Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng dựa hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực./ Thái Nguyên, ngày 18 tháng năm 2014 Học viên Phạm Khánh Hoàng - ii - LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học hoàn thành Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Có luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Khoa Điện, phòng đào tạo sau đại học, đặc biệt TS Đỗ Trung Hải, Trưởng khoa Điện trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tơi với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý điều khiển hệ truyền động biến tần - động công nghệ cân băng định lượng” Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa cho thân tơi năm tháng qua Tuy nhiên, có hạn chế thời gian kiến thức nên Luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học để tiến Một lần xin chân thành cảm ơn tập thể cá nhân TS Đỗ Trung Hải, Trưởng khoa Điện hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành Luận văn Trân trọng cám ơn./ Thái Nguyên, ngày 18 tháng năm 2014 Học viên Phạ m Khánh Hoàng -3- MỤC LUC MỞ ĐẦU viii Tính cấp thiết đề tài viii Mục tiêu nghiên cứu viii Dự kiến kết đạt viii Phương pháp phương pháp luận viii Cấu trúc luận văn viii Kết luận kiến nghị viii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG .1 1.1 Lý thuyết chung hệ thống cân băng định lượng 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Cấu tạo cân băng định lượng 1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng cân băng định lượng 1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng 1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu băng tải .3 1.1.5 Khái quát điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng 1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động không đồng dùng biến tần .5 1.3.1 Động không đồng 1.3.2 Khái quát biến tần 1.3.3 Điều chỉnh tần số động biến tần 1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell 11 1.4.1 Khái niệm Loadcell 11 1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng 11 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 13 1.5 Băng tải cao su 15 1.6 Sensor đo tốc độ 16 1.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 16 1.6.2 Đo vận tốc băng tải 17 1.7 Đo khối lượng liệu băng 17 1.8 Kết luận chương 18 CHƯƠNG TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 19 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 19 2.2 Nhận dạng mơ hình tốn học đối tượng .20 -42.3 Xác định điều khiển 25 2.3.1 Bài toán (Xác định luật điều khiển) 25 2.3.2 Bài toán (Lựa chọn thiết bị thực luật điều khiển) 26 2.4 Card ghép nối điều khiển .26 2.5 Tạo tín hiệu đặt hiển thị: 29 2.6 Kết luận chương 29 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 30 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 30 3.1.1 Động .30 3.1.2 Biến tần .30 3.1.3 Băng tải .31 3.1.4 Loadcell mạch khuếch đại tín hiệu đầu cân 32 3.1.5 Thiết bị đo vận tốc băng tải 33 3.1.5 Thiết bị hiển thị 33 3.1.6 Card ghép nối điều khiển – Bo mạch ArduinoDue 34 3.1.7 Bảng điều khiển 36 3.1.8 Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng .36 3.2 Thực nghiệm 37 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm 37 3.2.2 Kết thực nghiệm 37 3.3 Kết luận chương 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 Kết luận .43 Kiến nghị 43 Tiếng Việt 44 Tiếng Anh 44 -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Hình Định lượng gián đoạn Hình Định lượng liên tục Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Hình Đặc tính thay đổi tần số động không đồng Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Hình Biến tần Hình Nguyên lý hoạt động biến tần Hình Sơ đồ mạch lực biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 10 Hình 10 Giản đồ điện điện áp pha A dùng phương pháp PWM 10 Hình 11 Sơ đồ tế bào cân số SFT 11 Hình 12 Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet .12 Hình 13 Cấu tạo Loadcell 13 Hình 14 Nguyên lý hoạt động Loadcell .13 Hình 15 Cấu trúc cầu cân mơ men lực .14 Hình 16 Băng tải cao su 15 Hình 17 Encoder quang tương đối 16 Hình 18 Mạch đo tín hiệu tốc độ .17 Hình 19 Mạch đo khối lượng 18 Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng .19 Hình 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng .19 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ 20 Hình Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 20 Hình Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 21 Hình Dữ liệu tín hiệu vận tốc dài băng tải (m/h) 21 Hình Giao diện cơng cụ nhận dạng mơ hình 22 Hình Nhập liệu nhận dạng mơ hình 22 Hình Nhận dạng mơ hình .23 Hình 10 Giao diện kết nhận dạng .23 -6Hình 11 Đánh giá kết nhận dạng mơ hình 24 Hình 12 Đặc tính q độ đối tượng 24 Hình 13 Cấu trúc điều khiển hệ thống .25 Hình 14 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m số) .25 Hình 15 Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDue .27 Hình 16 Các đầu kết nối ngoại vi ArduinoDue 28 Hình 17 Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 28 Hình 18 Các khối chức thư viện ArduinoIO 29 Hình Động truyền động kéo băng tải 30 Hình Biến tần Commander SE .31 Hình 3 Băng tải 31 Hình Loadcell PT1000 gắn băng tải .32 Hình Bo mạch khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu cân .33 Hình Encoder gắn tang bị động 33 Hình Khối hiển thị thông số trạng thái hệ thống 34 Hình Card ghép nối ArduinoDue 35 Hình Bo mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển 35 Hình 10 Bảng điều khiển 36 Hình 11 Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 36 Hình 12 Cấu trúc thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 37 Hình 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy .37 Hình 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 38 Hình 15 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 38 Hình 16 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi 39 Hình 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi .39 Hình 18 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt thay đổi .40 Hình 19 Đáp ứng lưu lượng hệ nguyên liệu băng không đồng 40 Hình 20 Đáp ứng vận tốc dài băng tải ngun liệu băng khơng đồng .41 Hình 21 Tín hiệu khối lượng băng tải nguyên liệu băng không đồng 41 -7- DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Bảng thống kê số loại tế bào 11 Bảng Bảng thống kê số loại tế bào cân Tenzomet 12 Đáp ứng vận tốc dài băng tải (m/h) time (s) Hình 20 Đáp ứng vận tốc dài băng tải ngun liệu băng khơng đồng - Tín hiệu khối lượng băng tải: Tín hiệu khối lượng liệu băng (Kg) time (s) Hình 21 Tín hiệu khối lượng băng tải nguyên liệu băng không đồng 3.2.2.4 Đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thực nghiệm trên, thấy số đặc điểm sau: - Đáp ứng hệ thống ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, lượng điều chỉnh nhỏ 3.3 Kết luận chương Chương trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng với điều khiển lưu lượng thực vi xử lý Thực thực nghiệm điều khiển hệ thống cân băng định lượng với dạng lưu lượng đặt khác thu kết đạt với lý thuyết phân tích Bộ điều chỉnh lưu lượng trình bày chương thực tốt chức điều chỉnh lưu lượng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu khảo sát hệ thống cân băng định lượng mơ hình thực nghiệm Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Đối chiếu với yêu cầu mục tiêu đề luận văn giải đầy đủ cho kết sau: + Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng, thực thuật toán điều khiển đáp ứng yêu cầu công nghệ Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng + Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống cân băng định lượng tổng hợp điều chỉnh lưu lượng cho hệ việc nhận dạng mơ hình tốn học hệ thống Luật điều khiển lưu lượng xác định theo phương pháp modul tối ưu Để thực luật điều khiển tác giả chọn sử dụng vi xử lý AT91SAM Atmel + Từ kết nghiên cứu tác giả thực thành công mơ hình thực nghiệm Khoa Điện + Xây dựng mơ hình thực nghiệm Bộ mơn Tự động hóa Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Các kết thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết cho thấy hệ thống hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề Kiến nghị Hoàn thiện kết nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn sản xuất / TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh Bimal K Bose (1996), Power Electronics and Variable Frequency Drives, University of Tennessee, Knoxville, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., NewYork Devendra Rai, Brushless dc Motor – Simulink simulator, Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, India DSP-based Electric Drives Laboratory, Getting Started with dSPACE, University of Minnesota Arduino, http://arduino.cc Atmel, http://atmel.com PHỤ LỤC Thông tin Vi xử lý AT91SAM: PT1000 Single Point (3kg~250kg Anodised Aluminum) standard, 350x350mm and 400x500mm platforms A direct bolt replacement for most industry standard single point cells The PT1000 is a dual designed model providing for increased capacities The smaller cell is from 3kg to 35kg and at only 22mm high and 130mm long it's perfect for small low cost retail scales, medical and check weighing applications with platforms up to 350mm x 350mm The larger size cell measures from 50kg to 250kg capacity and is ideal for platform sizes 400mm x 500mm Direct bolt industry standard makes both large and small PT1000's ready replacements for other less well-protected models The PT1000 comes as standard with SURESEAL sealing and is protected to IP66 This is a very compact cell for its capacity range SPECIFICATIONS Nominal Capacity 3kg ~ 250kg Signal Output at Capacity 2mV/V ± 10% Linearity Error < 0.020% FSO Non-Repeatability < 0.010% FSO Combined Error < 0.025% FSO Hysteresis < 0.015% FSO Creep/Zero Return (30 < 0.030% / 0.020% FSO mins) < 3.000% Capacity Zero Balance < 0.010% FSO Temperature Effect On < 0.015% Capacity Span/10°C - 10 ~ 40°C Temperature Effect on - 30 ~ 70°C Zero/10°C 100% of Rated Capacity Compensated Temperature 150% of Rate Capacity Range 300% of Rated Capacity Operating Temperature RED Range GREEN Service Load Safe Load Ultimate Load Excitation +ve Signal +ve DIMENSIONS Input Impedance 425Ω ± 15Ω Output Impedance 350Ω ± 3Ω Insulation Impedance >5000 MΩ at 100V DC Excitation Voltage (Rec) ~ 12V AC/DC Excitation Voltage (Max) 15V AC/DC Eccentric Loading < 0.0085% FSO (3 ~ 35kg) (effect/cm) < 0.0074% FSO (50 ~ 250kg) Deflection at Rated < 0.4mm Capacity -50 ~ 70°C Storage Temperature 4mm, Screened, PVC Range Sheath Cable Type core x 0.09mmª (28 AWG) Cable Length 0.5 Metre (3kg ~ 35kg) Metre (50kg ~ 250kg) Material Aluminium Finish Marine Anodised Excitation -ve BLACK Signal -ve WHITE CAPACITIES Model PT1000-3kg PT1000-5kg PT1000-7kg PT100010kg PT100015kg PT100020kg PT100030kg PT100035kg PT100050kg PT1000100kg PT1000150kg PT1000200kg PT1000250kg (Due to PT’s policy of continuous development, specifications and products offered are subject to change without notice.) Click on the individual products below for more details, documentation and related products Capacity 3kg 5kg 7kg 10kg 15kg 20kg 30kg 35kg 50kg 100kg 150kg 200kg 250kg CONTROL TECHNIQUES This promo has been disabled The product set represented here may be out of date or incomplete Commander SE AC Drives Single or 3-phase, up to 50hp First 10 parameters meet the needs of 80% of drive applications, making set-up fast and effortless Open loop vector control with true space vector modulation offers precise control, algorithm provides full torque down to Hz for exceptional performance Includes Intelligent Thermal Management (ITM) technology for reliability Rated at 50�C ambient temperature to withstand severe operating conditions T e r m i n a l c o n n e c t i o n ive's cover for on-the-spot drive set-up and maintenanc e d r a w i n g s Selectable stopping modes including ramp, coast, DC injection, and dynamic braking (except size 1) for added application requirement flexibility a n d L e v e l p a r a m e t e r s ( ) l i s t e d o n Static auto-tune allows fast motor/driv e optimizatio n without motor shaft rotation Includes two sets of motor map parameters saved in the drive's memory to allow sequenced switching between two motors with different operating characteristi cs Customize drives to specific applications with configurable analog and digital I/O SE23400150 Part # HP(CT) Input Power A(CT) Price 208/230 VAC 13 0.33 15 5.8 CALL SE23400400 3PH CALL SE11200037 25 CALL SE11200055 0.75 1PH 3.1 CALL SE11200075 1PH 4.3 CALL SE2D200075 1PH/3PH 4.3 CALL SE2D200150 1PH/3PH 7.5 CALL SE2D200220 1PH/3PH 10.6 CALL SE23200400 3PH 17 CALL SE33200550 7.5 3PH 25 CALL SE33200750 10 3PH 28.5 CALL SE23400075 2.1 CALL 3PH CALL SE43401100 24.5 CALL 20 CALL 3PH 3PH 10 3PH 30.5 2.3 CALL 7.5 16.5 SE43401500 1PH 9.5 CALL SE33400750 1.5 0.5 3PH SE33400550 3PH 1PH CALL SE23400220 3PH SE11200025 380/480 VAC d r 4.2 37 3PH SE43401850 CALL B u i l t i n i n d e p e n d e n t PID controller SE5340220 Built-in MOP (motorized potentiometer ) emulates functionality of traditional MOP with increase/decr ease pushb uttons 30 FREE! SESoft Windows based configuratio n tool (cable required) P I D NEMA (IP21) enclosure c o n t r o l RS485 serial communic ation with Modbus RTU protocol e l i m i n a t e s t h e n e e d f o r e x t e r n a l Plug in communicat ions via ProfibusDP, DeviceNet and InterbusS 3PH 46 CALL SE5340300 40 3PH 60 CALL SE5340370 50 3PH 70 CALL ACCESSORIES • CT-COMMSCABLE 181.91 • in-stock parts ... cơng nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao, vi c nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để điều khiển hệ truyền động biến tần động theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng vi c làm cần thiết hướng nghiên. .. KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa... điều khiển vi xử lý Dự kiến kết đạt Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển hệ truyền động biến tần động công nghệ cân băng định lượng Xây dựng mơ hình thực nghiệm ứng dụng vi xử lý để điều khiển