ĐỀ tài THIẾT kế hệ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BĂNG tải có điều KHIỂN BẰNG ĐỘNG cơ một CHIỀU

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới.. Nhận thấy độ

Cơ cấu truyền động tải băng chuyền

Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải băng chuyền

Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ

Tốc độ dự kiến của băng tải: V = 0.7(m/s), bán kính của Rulo R = 0,08 (m).Suy ra:

Tốc độ quay của Rulo: 𝛚 = 𝑽

Chọn tốc độ của động cơ là 3000(vòng/phút) tương đương với 314(rad/s) Nên ta có tỉ số truyền : 𝒊 = 𝟑𝟏𝟒

𝟖,𝟕𝟓 = 𝟑𝟔 Tốc độ dài của băng tải :

Hình 1 2 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ của băng chuyền

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI

GVHD: TS.Giáp Quang Huy 3

Tốc độ quay của Rulo

Dựa vào đồ thị trên Hình 1.2, ta xác định được quá trình hoạt động của động cơ như sau :

Quá trình động cơ chuyển động theo chiều kim đồng hồ :

 Từ 0 đến 2 giây: tốc độ quay của động cơ tăng từ ωM = 0 rad/s đến ωM = 314 rad/s

 Từ 2 đến 8 giây: động cơ hoạt động ổn định với tốc độ quay ωM = 314 rad/s

 Từ 8 đến 10 giây: tốc độ quay của động cơ giảm ngay về ωM = 0 rad/s

Quá trình băng chyền đảo chiều :

 Từ 10 đến 12 giây: động cơ đảo chiều, độ lớn tốc độ quay của tăng dần lên ωM = 314 rad/s

 Từ 12 đến 18 giây: động cơ hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay ωM = 314 rad/s

 Từ giây 18 đến 20s tốc độ quay của động cơ giảm ngay về ωM = 0 rad/s.

Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động

1.1 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần tĩnh (stato), phần ứng (roto)

Hình 2 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

 Stator: có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện

 Rotor: cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện

 Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor

Số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor

 Chổi than (brushes): tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

 Một phần cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của nó là biến đổi dòng điện trong khi Rotor quay liên tục

 Trục động cơ: dùng để quay băng tải

Mạch động lực

Hình 3 2 Sơ đồ mạch động lực

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Chuyển đổi điện áp của lưới điện xoay chiều 𝑈1 sang điện áp 𝑈2 thích hợp với tải Biến đổi số pha của nguồn lưới (1,2,3,6,12,… pha )

Cách ly với điện áp lưới

Gồm 2 (hai) bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng Thyristor đấu song song ngược

Từng bộ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu phụ thuộc

Cả hai bộ biến đổi G1 và G2 đều nhận được xung mở tại mọi thời điểm

1.2.4 Điện áp và dòng chỉnh lưu

Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

𝜋 Dòng trung bình qua tải: 𝐼 𝑑 = 𝑈 𝑑 −𝐸 ư

1.3 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu: a Khái niệm chung:

Sơ đồ khâu phát ung – bộ điều khiển: c.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:

 Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều

 Điện áp đồng bộ Udb là một đường cosin: Udb = Umcos𝜃

 Điện áp so sánh uss = Uc - Udb

 Khi Uc = Udb ⇒ uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển

 Khi 𝜃 = 𝛼 thì Uc = Udb =Umcos𝛼

 Điện áp chỉnh lưu: 𝑈𝑑 = 𝑈𝑑𝑜 × 𝑈𝑐/Um d.Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu cầu ba pha kép:

 Phương pháp điều khiển chung:

Trong hệ thống chỉnh lưu, từng bộ chỉnh lưu hoạt động độc lập, trong khi các bộ còn lại không làm việc Khi một bộ chỉnh lưu hoạt động, nó nhận tín hiệu điều khiển để vận hành, còn các sơ đồ chỉnh lưu khác sẽ nghỉ hoàn toàn không hoạt động Điều này đảm bảo quá trình chỉnh lưu diễn ra một cách hiệu quả và ổn định.

 Điều kiện điều khiển chung: để không có dòng ngắn mạch giữa 2 bộ chỉnh lưu thì phải thỏa:

Giúp loại bỏ thành phần sóng hài (thành phần xoay chiều) sau quá trình chỉnh lưu để tạo ra dòng điện đầu ra phẳng hơn, đảm bảo chất lượng ổn định và giảm tổn thất năng lượng, nâng cao hiệu quả hệ thống điện.

Khái quát mạch điều khiển

Hình 4 1 Sơ đồ điều khiển Thyristor

1.2 Phương pháp điều khiển thẳng đứng Arcos:

Nhóm chúng em sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha và điều khiển bằng phương pháp Arccos

Nguyên lý: Điện áp đồng dạng sin Udb vượt trước điện áp khóa ( thu được ở thứ cấp biến áp đồng bộ ) một góc pi/2

Nguyên lý hoạt động từng khâu trong mạch điều khiển

2.1.1 Biến áp Tam giác- Sao (𝜟 − 𝒀)

Trong cấu trúc mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng phương pháp điều khiển Arcos, việc đồng bộ là vô cùng quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Đầu tiên, cần thực hiện khâu trễ pha nguồn 3 pha một góc 𝝅/3 để điều chỉnh dòng điện và tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi Việc làm trễ pha này giúp kiểm soát tốt hơn các tham số của mạch, từ đó nâng cao độ ổn định và hiệu suất của hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha.

1 góc 𝝅 ∕ 𝟑 thì chúng ta sử dụng biến áp nối 𝜟 − 𝒀

 Do sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha nên phải sử dụng 3 khâu đông bộ cho 3 điện áp pha

Khái quát cảm biến dòng IC ACS712

Hình 5 1 Cảm biến dòng IC ASC712

 Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

 Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às

 Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ

 Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A

 Điện áp ra cực kỳ ổn định

Code vi điều khiển

VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG

1.Cảm biến dòng: Sử dụng IC ACS712

1.1 Khái quát cảm biến dòng IC ACS712

Hình 5 1 Cảm biến dòng IC ASC712

 Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

 Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às

 Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ

 Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A

 Điện áp ra cực kỳ ổn định

Khi đo dòng điện DC, cần mắc tải nối tiếp với hai đầu Ip+ và Ip- đúng chiều để đảm bảo chính xác Dòng điện từ Ip+ đến Ip- sẽ tạo ra điện áp Vout dao động từ 2.5V đến 5VDC, phản ánh dòng điện từ 0 đến giá trị tối đa Ngược lại, nếu mắc ngược chiều, Vout sẽ giảm từ 2.5V xuống 0VDC, tương ứng với dòng điện âm từ 0 đến âm Max.

Khi cấp nguồn 5VDC cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp) thì Vout

Khi dòng tải Ip đạt mức tối đa, điện áp Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip trong phạm vi từ 2.5VDC đến 5VDC, tương ứng với dòng 0 đến dòng tối đa Để kiểm tra điện áp Vout, bạn có thể sử dụng đồng hồ VOM thang đo DC để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình kiểm tra Đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định chính xác mức điện áp đầu ra của thiết bị trong điều kiện hoạt động tối đa của dòng tải.

1.3 Code xử lí tín hiệu cảm biến dòng điện :

CHƯƠNG 5: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG

Cảm biến tốc độ: Sử dụng Encorder

2.1 Khái quát Encoder Omron E6B2-CWZ6C Đường kính trục: 6mm

Các Model xung khác từ 10,20 1800,2000

Ngõ ra: A, B, Z (NPN transistor cực thu hở) 30VDC, 35mA max

Tần số đáp ứng: 100kHz max

Tốc độ cho phép tối đa: 6000 vòng/phút

Bảo vệ cấp nguồn ngược cực và ngắn mạch ngõ ra

Nguyên lý hoạt động của encoder dựa trên việc sử dụng một đĩa tròn xoay quay quanh trục, có các lỗ hoặc rãnh trên bề mặt Khi đĩa quay, đèn LED sẽ chiếu sáng qua các lỗ hoặc rãnh và không xuyên qua những phần không có lỗ, tạo ra các tín hiệu nhấp nháy liên tục Các tín hiệu này được thu nhận bởi cảm biến hoặc mắt thu đặt phía đối diện của đĩa, giúp chuyển đổi vị trí quay thành tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị tự động Đây là nguyên tắc cơ bản giúp encoder xác định chính xác vị trí và góc quay của đĩa trong các ứng dụng tự động hóa và điều khiển.

GVHD liên quan đến việc chiếu qua ánh sáng LED qua lỗ và được đo bằng số xung đếm lại, thể hiện mức độ ánh sáng bị cắt qua thiết bị Quá trình này giúp xác định chính xác tần suất ánh sáng đi qua hệ thống, góp phần đánh giá hiệu quả của thiết bị chiếu sáng Số xung tăng lên đồng nghĩa với việc ánh sáng bị cắt đi nhiều hơn, cung cấp thông tin quan trọng về hiệu suất của đèn LED trong quá trình hoạt động.

Encoder tạo ra các tín hiệu xung vuông dựa trên lượng ánh sáng xuyên qua lỗ của tấm quay Tần số của các xung đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn, giúp đo lường chính xác vận tốc quay của thiết bị Công nghệ này thường được ứng dụng trong điều khiển tự động và hệ thống đo lường chính xác.

2.3 Code xử lí tín hiệu tốc độ

 Code điều khiển tốc độ bằng phương pháp PID :

#define encodPinA1 2 // Quadrature encoder A pin

#define encodPinB1 8 // Quadrature encoder B pin

#define M1 9 // PWM outputs to L298N H-Bridge motor driver module

#define M2 10 double kp = 0,00418 , ki = 11,8 ,input = 0, output = 0, setpoint = 0; // modify kp, ki and kd for optimal performance long temp; volatile long encoderPos = 0;

Implement PID control using myPID(&input, &output, &setpoint, kp, ki, kd, DIRECT); where setting the mode to 'REVERSE' instead of 'DIRECT' ensures the motor runs at full speed In the setup function, configure encoder pins with pinMode(encodPinA1, INPUT_PULLUP) and pinMode(encodPinB1, INPUT_PULLUP) for quadrature encoder inputs Attach an interrupt with attachInterrupt(0, encoder, FALLING) to accurately update the encoder position on falling signal edges These configurations optimize motor control and encoder reading for precise operation.

TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | 1; // set 31KHz PWM to prevent motor noise myPID.SetMode(AUTOMATIC); myPID.SetSampleTime(1); myPID.SetOutputLimits(-314, 314);

} void loop() { temp += analogRead(0); // increment position target with potentiometer value (speed), potmeter connected to A0 if (temp < 0) { // in case of overflow encoderPos = 0;

GVHD: TS.Giáp Quang Huy 28 temp = 0;

} setpoint = temp / 500; // modify division to fit motor and encoder characteristics input = encoderPos ; // data from encoder myPID.Compute(); // calculate new output pwmOut(output); // drive L298N H-Bridge module

} void pwmOut(int out) { // to H-Bridge board if (out > 0) { analogWrite(M1, out); // drive motor

CW analogWrite(M2, 0); } else { analogWrite(M1, 0); analogWrite(M2, abs(out)); drive mot// or CCW

} void encoder() { // pulse and direction, direct port reading to save cycles if (PINB & 0b00000001) encoderPos++; // if

(digitalRead(encodPinB1)==HIGH) count ++; else encoderPos ; // if

Mô hình toán học

1.2 Tính các tham số hàm truyền động cơ

Hình 6 1 Sơ đồ khối hàm truyền động cơ

- Hàm truyền phần trước Rotor:

 Thay vào phương trình dặc tính cơ điện: a a 2 e e e M

 Ta áp dụng các thông số của động cơ làm việc định mức:

 Trong đó: 𝜔 = 314 𝑟𝑎𝑑/𝑠, Va= 12V, Ra = 1,2 𝛺 , Me=0,09

 Từ đó giải phương trình ta có:

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK

1.2.3 Giải thích chi tiết hàm truyền của động cơ:

 Các thông số trong hàm truyền:

1.3 Tính toán thông số hàm truyền bộ chỉnh lưu

- Hàm truyền bộ chỉnh lưu: 𝑮 𝒓 = 𝑲 𝒓

- Do nhóm chúng em sử dụng nguyên tắc thẳng đứng Arccos, cho nên chúng em xác định được:

- Cảm biến đo tốc độ Encoder: Gw(s) = 𝟏

- Cảm biến đo dòng điện H(s) = 1

1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện:

1.5.1 Sử dụng phương pháp tối ưu Module :

Cho chu kì lấy mẫu T=0,5s nên tần số lấy mẫu:

 Ta có hàm truyền bộ điều khiển dòng điện là:

1.6 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ:

- Hàm truyền của điều khiển tốc độ:

 Mạch mô phỏng hàm truyền toán học :

Hình 6 3 Mô hình hàm truyền toán học

Mô hình hàm truyền toán học

Hình 6 4 Mô hình toán học động cơ bằng matlab Hình 6 2 Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện

- Đồ thị tốc độ đáp ứng :

Động cơ có độ chính xác cao và độ ổn định tốt, đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định Tốc độ đầu ra của động cơ rất sát với tốc độ đặt, giúp duy trì hoạt động chính xác Biên độ dao động nhỏ của động cơ càng tăng cường tính ổn định và độ bền của thiết bị trong quá trình vận hành.

Mô phỏng nguyên lý (Matlab Simulink)

3.1 Sơ đồ mạch điều khiển

3.2 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ:

3.3 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện:

3.4 Kết quả mô phỏng đáp ứng Moment:

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống truyền động băng tải có điều khiển bằng động cơ một chiều
Tác giả	Hoàng Quốc Huy, Nguyễn Minh Chuyên, Đỗ Thanh Nguyên, Phan Đình Vương, Lê Anh Tiến, Lê Phú Nam
Người hướng dẫn	TS. Giáp Quang Huy
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Thể loại	Dự án liên môn kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	41
Dung lượng	2,88 MB