L ỜI 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.. Trong thời
Cơ cấu truyền động tải băng chuyền
Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải băng chuyền
Đồ th ị t ốc độ d ự ki ế n c ủ a t ải 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 𝑹 = 𝟎,𝟎𝟖 𝟎,𝟕 = 𝟖, 𝟕𝟓 (rad/s) = 83,5 (vòng/phút)
Chọn tốc độ của động cơ là 3000(vòng/phút) tương đương với 314(rad/s) Nên ta có tỉ số truyền : 𝒊 = 𝟖,𝟕𝟓 𝟑𝟏𝟒 = 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
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 :
Từ0 đến 2 giây: tốc độ quay của động cơ tăng từωM = 0 rad/s đến ωM = 314 rad/s
Từ2 đến 8 giây: động cơ hoạt động ổn định với tốc độ quay ω M = 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 :
Từ10 đến 12 giây: động cơ đảo chiều, độ lớn tốc độ quay của tăng dần lên ω M = 314 rad/s
Từ 12 đến 18 giây: động cơ hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay ωM = 314 rad/s
Từgiây 18 đến 20s tốc độ quay của động cơ giảm ngay vềω M = 0 rad/s.
Tìm hiể u v ề c ấ u t ạo và hoạt độ ng
1.1Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều kích từđộc 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 cổgóp
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 BỘĐIỀU 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 bộcó thểlàm việc ở chếđộ 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
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
𝜋 Dòng trung bình qua tải: 𝐼𝑑 = 𝑈 𝑑 𝑅 −𝐸 ư
1.3 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu: a Khái niệm chung:
Sơ đồkhâu phát ung – bộđiều 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
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
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 này, hai bộ chỉnh lưu làm việc độc lập với nhau; khi một bộ hoạt động, bộ kia không hoạt động và ở trạng thái nghỉ hoàn toàn Khi có tín hiệu điều khiển, chỉ một trong hai sơ đồ chỉnh lưu được cấp tín hiệu và hoạt động, còn sơ đồ kia giữ nguyên ở trạng thái nghỉ.
Điều kiện điều khiển chung: để không có dòng ngắn mạch giữa 2 bộ chỉnh lưu thì phải thỏa:
Việc loại bỏ dần các thành phần sóng hài và thành phần xoay chiều sau quá trình chỉnh lưu giúp dòng điện đầu ra phẳng hơn, có chất lượng ổn định Các giải pháp lọc nhiễu như mạch lọc LC hoặc RC, cùng với tụ điện và cuộn cảm, triệt tiêu sóng hài và giảm biến thiên điện áp, từ đó tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống và giảm tổn thất năng lượng Việc tối ưu hóa lọc sau chỉnh lưu không chỉ cải thiện độ ổn định của dòng DC mà còn nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị nhờ giảm tổn hao do sóng hài và dao động dòng.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Khái quát mạch điều khiển
Hình 4 1 Sơ đồđiều 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)
Với cấu trúc mạch chỉnh lưu cầu 3 pha và điều khiển bằng phương pháp Arcos, bước đồng bộ hóa trước hết phải thực hiện trễ pha nguồn 3 pha một góc π/3 Việc trễ pha này giúp đồng bộ xung kích hoạt và tối ưu hóa hoạt động của mạch chỉnh lưu, giảm nhiễu và nâng cao hiệu suất Quá trình trễ pha được tiến hành trước khi cấp xung cho các thiết bị đóng ngắt nhằm đảm bảo thời điểm đóng mở đúng chuẩn, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống.
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 cả m bi ến 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 điề u khi ể n
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.
Để đo DC, cần mắc tải nối tiếp giữa Ip+ và Ip- theo đúng chiều Khi dòng điện chạy từ Ip+ đến Ip-, Vout sẽ cho mức điện áp từ 2.5 VDC tới 5 VDC, tương ứng với dòng 0 tới Max Ngược lại, nếu mắc ngược, Vout sẽ cho điện áp từ 2.5 VDC tới 0 VDC, tương ứng với dòng 0 tới -Max.
Khi cấp nguồn 5VDC cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp) thì Vout
Ở mức nguồn 2.5 VDC, khi dòng Ip của tải đạt giá trị Max thì Vout sẽ tuyến tính với Ip; phạm vi Vout từ 2.5 VDC đến 5 VDC tương ứng với dòng 0–Max Để kiểm tra, có thể dùng đồng hồ đo DC (VOM) để đo Vout và xác nhận đặc tính tuyến tính của mạch.
1.3 Code xửlí tín hiệu cảm biến dòng điện :
CHƯƠNG 5: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG
C ả m bi ế n t ốc độ : S ử d ụ ng 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 độcho phép tối đa: 6000 vòng/phút
Bảo vệ cấp nguồn ngược cực và ngắn mạch ngõ ra
Nguyên lý cơ bản của encoder quang là một đĩa tròn quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh (lỗ) được bố trí theo một mẫu mã nhất định Một nguồn sáng LED chiếu lên bề mặt đĩa; khi đĩa quay, khu vực không có rãnh chắn sáng, còn khu vực có rãnh cho phép ánh sáng xuyên qua được tới mặt đối diện Ở mặt đối diện với đĩa là cảm biến quang học được đặt để nhận các tín hiệu sáng hoặc tối tương ứng với từng rãnh, từ đó sinh ra các xung tín hiệu để đo vị trí, tốc độ và gia tốc quay.
CHƯƠNG 5: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt
Encoder quang học tạo ra tín hiệu xung vuông bằng cách ánh sáng xuyên qua các lỗ trên tấm quay và được xử lý để sinh ra các xung vuông Tín hiệu xung vuông này là đầu ra của hệ thống và tần số của nó phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ quay của tấm tròn chứa các lỗ đó; tốc độ quay càng nhanh thì tần số xung càng cao và ngược lại, cho phép đo lường vận tốc và vị trí một cách hiệu quả.
2.3 Code xửlí tín hiệu tốc độ
CHƯƠNG 5: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG
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;
Use a PID controller object in Arduino as PID myPID(&input, &output, &setpoint, kp, ki, kd, DIRECT); if the motor will only run at full speed, try replacing DIRECT with REVERSE In setup(), configure the quadrature encoder inputs by setting encodPinA1 and encodPinB1 to INPUT_PULLUP, and then attach an interrupt on interrupt 0 to the encoder function, triggered on FALLING edges to update the encoder position.
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;
CHƯƠNG 5: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG 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 sốhàm 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
Từđó giải phương trình ta có:
CHƯƠNG6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK
1.2.3 Giải thích chi tiết hàm truyền của động cơ:
Các thông sốtrong hàm truyền:
1.3 Tính toán thông sốhàm truyền bộ chỉnh lưu
- Hàm truyền bộ chỉnh lưu: 𝑮 𝒓 = 𝑻 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) = 𝑻𝒔+𝟏 𝟏 với T = 1ms
- 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:
CHƯƠNG6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK
Ta có hàm truyền bộđiều khiển dòng điện là:
1.6 Tổng hợp mạch vòngđiều 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
CHƯƠNG6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK
- Đồ thị tốc độ đáp ứng :
Nhận xét cho thấy hệ thống có độ chính xác cao và độ ổn định tốt Tốc độ đầu ra của động cơ bám sát với tốc độ đặt, với biên độ dao động ở mức nhỏ, giúp bảo đảm sự ổn định và hiệu quả vận hành của động cơ trong quá trình làm việc.
Mô phỏng nguyên lý (Matlab Simulink)
3.1 Sơ đồ mạch điều khiển
CHƯƠNG6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK
3.2 Kết quảmô phỏng đáp ứng tốc độ:
3.3 Kết quảmô phỏng đáp ứng dòng điện:
3.4 Kết quảmô phỏng đáp ứng Moment: