CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
4.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MƠ HÌNH
Hệ thống mơ hình gồm các thành phần được mơ tả như sơ đồ khối hình dưới
Hình 4. 1: Sơ đồ khối của một hệ thống điều hướng tự động
Tổng quan về các thành phần:
- Hệ thống cơ khí trục đỡ, trục xoay.
- Tấm pin năng lượng mặt trời.
- Nguồn điện acquy dùng để nạp điện và nuôi mạch điều khiển cùng hai động cơ servo.
- Hai động cơ servo với chức năng xoay hai trục.
- Bộ cảm biến hướng sáng.
- Vi xử lí arduino đóng vai trị xử lí tín hiệu đầu vào và điều khiển.
41
Hình 4. 2: Mơ hình 3D máy bơm nước dùng nguồn năng lượng mặt trời 4.2 Cở Sở Lý Thuyết Tính Tốn Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời 4.2 Cở Sở Lý Thuyết Tính Tốn Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời
Chọn động cơ servo DC 150W, PB = 150W Thời gian sử dụng mỗi ngày là T=3h
Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour tồn tải sử dụng mỗi ngày.
PtT = PBB x T=150x3 = 450W (4.1) Số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày. Do tổn hao trong hệ thống, cũng như xét đến tính an tồn khi những ngày nắng
42
không tốt, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt- hour của tồn tải, theo cơng thức sau: Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) phải cung cấp = (1.3 – 1.5) x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng. Trong đó 1.3 đến 1.5 là hệ số an toàn
Ppv =1.3xPt =1.3x450 = 585 Wh/ngày (4.2) Để tính tốn kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải khảo sát từng vùng và đưa ra một hệ số gọi là “panel generation factor”, tạm dịch là hệ số phát điện của pin mặt trời. Hệ số “panel generation factor” này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày). Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nên lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời cần cung cấp chia cho 4.58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin.
Wp = 585
4.58 =127.73W (4.3) Tính tốn battery Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần (có nhiều cycle) mà khơng bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao. Có 2 phương pháp tính tốn battery, Cách thứ nhất là dựa vào lượng điện sản xuất được từ các tấm pin mặt trời. Dung lượng ắc quy phải chứa được = 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất được mỗi ngày. Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 70 – 80% cho nên chia số Wh do pin mặt trời sản xuất ra với 0.7 – 0.8 rồi nhân với 1.5 đến 2 lần ta có Wh của battery. Trường hợp nhu cầu sử dụng chủ yếu là ban ngày thì chỉ cần thiết kế lượng ắc quy chứa bằng lượng điện sản xuất ra từ pin mặt trời là được. Trong hệ solar độc lập sử dụng hằng ngày, để tuổi thọ ắc quy tăng lên (gấp2, 3 lần thơng thường) thì khơng nên
43
cho ắc quy xả sâu, nên bảo vệ ắc quy ở ngưỡng áp trên 11V (đối với ắc quy 12V) và chuyển sang sử dụng điện lưới hoặc bù lưới.
Dung lượng Battery = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦
ℎ𝑖ệ𝑢 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 𝑥 𝑚ứ𝑐 𝐷𝑂𝐷 𝑥 đ𝑖ệ𝑛 𝑡ℎế 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦
= 585
0.85.0.6.12 = 95.5(Ah) (4.4) Lựa chọn Acqui Yêu cầu điện áp theo tấm pin 56.25 wp
Điện áp :21.72V
Dòng hở mạch Isc = 8.79 A Điện áp danh định (vmp)= 12V Lựa chọn Acquy:
- Yêu cầu điện áp 12 v
- Dung lượng tổng 20,92: (0,85. X 0.8x12) x ( 3:10)= 0,769( kwh) Với:
- 20,92: là phụ tải một ngày (kwh) - 0,85: hiệu suất Acqui
- 0,8: mức xả tối đa của Acqui
- 3/10: là Acqui phải bù tối đa mất điện lưới trong ngày sử dụng 10 giây Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo DC Động cơ servo DC được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín chính vì vậy ngun lý hoạt động của động cơ này được mô tả như sau: Bộ phận rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và stator của động cơ được cuốn bởi các cuộn dây riêng biệt và được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor. Khi đó chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phần cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator trong trường hợp dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác. Mạch điều khiển của động cơ được nối với tín hiệu ra. Điều này có nghĩa khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển. Lúc này nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản q trình chuyển động quay của động cơ, bộ phận cơ cấu hồi tiếp
44
sẽ nhận thấy tín hiệu và mạch điểu khiển sẽ phải tiếp tục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đến khi đạt điểm chính xác.
Ưu nhược điểm của động cơ DC Servo Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vịng kín chính vì vậy động cơ servo DC rất dễ điều khiển, dễ sử dụng. Bên cạnh đó động cơ cịn giúp kiểm sốt tốc độ chính xác, đảm bảo q trình vận hành được ổn định. Hiện nay giá thành của động cơ Servo DC rẻ hơn so với các loại động cơ khác. Nhược điểm: Vì cấu tạo có bộ phận chổi than nên điểm hạn chế lớn nhất của loại động cơ này chính là dễ gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành và quán tính cao khi giảm tốc độ. Nếu sử dụng động cơ DC servo khơng chổi than thì sẽ khiến động cơ chạy êm và vận hành tốt hơn.
Động cơ servo là động cơ điện một chiều. Nguyên lý làm việc của servo là nó chỉ
quay khi nhận được tính hiệu điều khiển với góc quay nằm trong khoảng từ 00 đến 1800
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng, khối lượng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ những mơ hình robot nhỏ, cho đến những máy tiện điều khiển bằng máy tính, rồi những mơ hình máy bay và xe hơi từ 00ến 1800
4.3 Hệ thống cơ khí trục đỡ, trục quay 4.3.1 Thiết kế ban đầu
Để lựa chọn và thiết kế phần cơ khí hệ thống trục cho hệ thống, cần xem xét đến khối lượng tấm pin, dây dẫn, các thiết bị phụ trợ... Trong thực tế vận hành, các hệ thống cơ khí, trục đỡ này cịn bị ảnh hưởng bởi yếu tố thời tiết như mưa, gió, bão..., vì vậy người thiết kế cần đưa ra các phương án lựa chọn kết cấu hệ thống cơ khí, trục đỡ và chất liệu sao cho đảm bảo hệ thống vận hành ổn định dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Đối với mơ hình nhỏ như trong đề tài, sau khi khảo sát các kết cấu dàn tự xoay, một mơ hình kết cấu hệ thống tự xoay đã được đề xuất. Kết cấu được xây dựng trên phần mềm Solidworks như hình bên dưới
45
Hình 4. 3: Bản vẽ hình chiếu đứng mơ hình (đơn vị: mm)
46
Mơ hình kết cấu được xây dựng trên phần mềm Solidworks Mơ hình được lắp ráp bởi: 1. Chân đế, trụ đỡ 2. Giá đỡ chữ 3. Ti Ø10 Y 4. Bi Ø17 5. Động cơ servo 6. Bánh răng 7. Bát L 8. Ốc vít 17 9. Bát thẳng 10. Ốc vít Ø10 11. Bi Ø10
4.3.2 Tiến hành thi công
Phần chân đế được ghép nối từ hai thanh thép vuông (50mm x 50mm) được hàn chặt vng góc với nhau trên một mặt phẳng tạo thành dấu “+”, chiều dài mỗi thanh là 1400mm. Phần chân đế được làm chắc chắn để đỡ các thành phần của hệ thống phía trên, đảm bảo khơng bị sập đổ tấm pin trong quá trình vận hành. Trụ đỡ thứ nhất là ống thép hình trịn Ø40mm, dày 10mm, ở trong là lỗ tròn Ø36mm, cao khoảng 220mm được hàn chặt vào chân đế nhằm mục đích là nơi gắn bi và trục quay phía trên. Trụ đỡ thứ hai là ống thép vuông 20mm, cao khoảng 355mm (có chênh lệch trong lúc thi công) dùng để gắn động cơ servo 1. Phía dưới động cơ servo 1 là một bát L, hai bên động cơ servo 1 là hai bát thẳng được hàn vào trụ để cố định động cơ.
47
4.3 Tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 4. 5: Tấm pin năng lượng mặt trời MONO MSP-150W
Thông số kỹ thuật:
Công suất Pmax 150W+-3%
Điện áp hở mạch Voc 21.72V Dòng ngắn mạch Isc 8.79A Điện áp danh định Vmp 18.1V Dòng danh định Imp 8.29A
Chủng loại Pin (cell) Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)
Cấu tạo Khung nhơm
48
Trọng lượng 12 kg
Bảo hành 5 năm
Tuổi thọ sản phẩm Từ 25 năm đến 30 năm
Công suất Pmax 150W+-3%
Điện áp hở mạch Voc 21.72V
4.4 Nguồn điện ắc quy
Hình 4. 6: Ắc quy Đồng Nai CMF 31S800 (12V-100Ah)
Acquy của mơ hình Cần chọn một nguồn điện DC cung cấp điện để khởi động và vận hành hệ thống, đồng thời chính nguồn điện DC đó là nơi nạp điện áp mà tấm pin mặt trời sản sinh ra lúc nhận được ánh sáng.
49 Chọn Acquy có các thơng số cơ bản sau:
4.5 Động cơ servo
Tổng quan về động cơ servo
- Động cơ Servo là một phần của hệ thống vịng kín và bao gồm một số bộ phận cụ thể là mạch điều khiển, động cơ Servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa (encoder) hoặc bộ phân giải.
- Động cơ Servo là một thiết bị điện độc lập, được sử dụng để quay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao.
- Trục đầu ra của động cơ này có thể được di chuyển đến một góc, một vị trí với một vận tốc chỉ định trước mà động cơ thơng thường khơng có.
- Hiểu đơn giản thì động cơ Servo như một động cơ thơng thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí.
- Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ Servo được thiết kế và sử dụng chuyên biệt cho mục đích này.
- Động cơ Servo là một cơ chế vịng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc độ và vị trí quay hoặc tuyến tính.
- Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, analog hoặc digital, xác định chuyển động theo vị trí lệnh cuối cùng của trục.
Mã sản phẩm CMF 31S800
Kiểu ắc quy Ắc quy khơ, kín khí (miễn bảo dưỡng)
Điện áp 12V
Dung lượng 100Ah
Trọng lượng 25.13 kg
Vị trí cọc R
Kích thước 230x 171x 215mm (Dài x Rộng x Cao) Hãng sản xuất Pinaco
50
- Encoder đóng vai trị như một cảm biến cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí. Mạch này được xây dựng ngay bên trong vỏ động cơ thường được lắp với hệ thống bánh răng.
Động cơ dc servo không chổi than
Động cơ DC khơng chổi than: Thường có kích thước nhỏ và trọng lượng nhỏ hơn. Tuy nhiên, loại động cơ này phả ứng rất nhanh, qn tính nhanh nhờ mơ men xoắn ổn định và trơn tru. Nếu so sánh thì động cơ DC servo không chổi than sẽ điều khiển phức tạp hơn nhưng chúng lại hoạt động thông minh hơn nhờ chuyển mạch điện tử linh hoạt theo sóng vng hoặc chuyển mạch sóng sin. Động cơ cho ưu điểm tiết kiệm năng lượng, bức xạ điện từ thấp, nhiệt độ thấp và tuổi thọ thấp.
Hình 4. 7: Điều khiển động cơ DC Servo bằng giải thuật PID
Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động cơ dùng giải thuật PID. Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong cơng nghiệp như hệ thống lị nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC. Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như
51
vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính tốn hạn chế.
Hình 4. 8: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển vịng kín
Trong hình vẽ trên: - Plant: là hệ thống cần được điều khiển
- Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống.
u=Kpe+ k1∫ 𝑒𝑑𝑡 + 𝐾𝐷 𝑑𝑒
𝑑𝑡
Biến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y). Sai số này (e) sẽ được đưa đến bộ điều khiển PID, và bộ điều khiển này sẽ tính tốn cả vi phân và tích phân của tín hiệu sai số này. Tín hiệu (u) sẽ có giá trị như sau:
Tín hiệu (u) sẽ được đưa đến đối tượng điều khiển và ta sẽ thu được một tín hiệu (Y) mới. Tín hiệu này sẽ lại được đưa đến cảm biến để tính tốn ra sai số mới (e). Bộ điều khiển lại tính tốn các giá trị vi phân, tích phân của sai số này. Q trình cứ thế lặp đi lặp lại.
Đặc tính của bộ điều khiển P, I và D: Bộ điều khiển tỷ lệ (KP) có tác dụng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm, nhưng không triệt tiêu, sai số ở trạng thái xác lập (steady- state error).
Bộ điều khiển tích phân (KI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại có thể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ.
52
Bộ điều khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và tăng chất lượng đáp ứng quá độ.
Hình 4. 9: Sơ đồ khối phần cứng
Hình 4. 10: Sơ đồ khối của hệ thống trackinh hai truc
53
Hình 4. 12: Phần cứng tự động theo dõi NLMT
Incremental encoder cũng là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống, nó cung cấp thơng tin về trạng thái hiện thời của hệ thống cho vi điều khiển. Encoder có độ phân giải càng cao thì cho chất lượng điều khiển càng tốt. Tuy nhiên, encoder có độ phân giải cao thì cũng yêu cầu khả năng xử lý của vi điều khiển cao hơn. Khối công suất nhằm cung cấp điện áp chính xác điều khiển động cơ hoạt động dựa trên việc xử lý, tính tốn của vi điều khiển. Tùy theo công suất của động cơ cần điều khiển mà ta phải thiết khối này cho phù hợp.
Ứng dụng của động cơ servo vào hệ thống điều hướng pin MT
Động cơ servo điều chỉnh góc của các tấm pin mặt trời trong suốt cả ngày hướng về phía mặt trời, để thực hiện việc khai thác tối đa năng lượng từ mặt trời đem lại
Ứng dụng động cơ servo vào hệ thống điều hướng pin mặt trời hai trục xoay: Dùng hai động cơ servo cho hệ thống có hai trục điều hướng, mỗi động cơ điều khiển một trục, trục ra động cơ được gắn trực tiếp vào cơ cấu bánh 53ang như hình. Về mặt cơ khí, hai động cơ hoạt động động lập và xen kẽ nhau, nhằm đảm bảo cho tấm pin
54
Chọn động cơ servo cho hệ thống
Hình 4. 13: Động cơ servo DC
Thông số kỹ thuật: Động Cơ DC RS775-150W Hình thức: Mới 100%
- Điện áp sử dụng: 12V - Tốc độ: 18000RPM/1 15A - Momen xoắn: 85mN.m - Công suất tối đa: 150W - Đường kính trục: 5mm - Chiều dài trục: 16mm - Chiều dài động cơ: 65mm - Trọng lượng: 400G
4.6 Quang trở
- Quang trở còn được gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh