KỸ THUẬT điều KHIỂN và tự ĐỘNG hóa 2 (PBL2) đề tài điểu KHIỂN và GIÁM sát tốc độ ĐỘNG cơ một CHIỀU sử DỤNG VI điều KHIỂN (cầu TRỤC)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 PBL2 ĐỀ TÀI: ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

DỰ ÁN LIÊN MÔN

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 (PBL2)

ĐỀ TÀI:

ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN (CẦU TRỤC)

Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: ĐINH PHÚ GIANG (20TDH1)

TRẦN LÊ CÔNG ẨN (20TDH2) NGUYỄN HOÀNG MIN (20TDH1)

LÊ KHẮC CƯỜNG (20TDH2) NGUYỄN TRƯỜNG BẢO NGÂN (20TDH2) Nhóm HP / Lớp: 20.32A

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ

1.1 Phân tích chọn phương án truyền động

1.1.1 Cơ cấu truyền động tải cầu trục 4 1.1.2 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải và động cơ 5

1.1.3 Xác định moment, moment quán tính của hệ và quy đổi 1.1.4 Tính công suất động cơ CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT, CHỈNH LƯU 6

2.1 Tính toán mạch động lực 2.1.1 Mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển động cơ 2.1.2 Tính chọn Thyristor 2.1.3 Tính toán máy biến áp lực CHƯƠNG 3: LỚP ĐA 33C 7

3.1 Báo cáo của lớp 33c 7

CHƯƠNG 4: PBL NHÓM 36 +37 8

4.1 Tính mach cs 8

KẾT LUẬN CHUNG 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B Hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

2

Trang 3

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Thêm hình chương 1 và đánh số 5Hình 1 2 Hình của nhóm 36, 37 6

Trang 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thêm bảng chương 1 và đánh số 5

4

Trang 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU

CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

1.1 Phân tích chọn phương án truyền động

1.1.1 Cơ cấu tuyền động tải cầu trục

Hình 1 1 Mô phỏng truyền động cho tải bang chuyền

Tốc độ dự kiến của tải: V = 2,5 m/s, bánh kính của trống tời tịnh tiến R = 0,15m

Suy ra tốc độ quay của trống tời: ω= V

= 2,5

=16,67 rad/s

R 0,15 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B Hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

Trang 6

Chọn hộp số có tỉrad/ssốtruyền 15 Suy ra tốc độ cực đại của trống tời quy về trục động cơ là ω0= ¿ω×15=¿¿ 250

Tốc độ dài của tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tảiTốc độ quay của trống tời

w (rad/s)

Đồ thị tốc độ mong muốn của trống tời

20

16.67 15

10 5

-5 -10

Trang 7

w (rad/s)

Đồ thị mong muốn của động cơ

300

250 200

100 0

-100 -200

-250 -300

Hình 1.4 Tốc độ quay mong muốn của động cơDựa vào đồ thị trên Hình 1.4, ta xác định được quá trình hoạt động của động cơ

như sau:

Quá trình chuyển động theo chiều kim đồng hồ

[0s ; 1s]: tốc độ quay của động cơ tăng dần từ ω đc =0 Rad /s đến ω đc =250 Rad /s

[1s ; 3s]: tốc độ quay của động cơ ổn định ở ω đc =250 Rad /s

[3s ; 4s]: tốc độ quay của động cơ giảm dần từ ω đc =250 Rad /s đến

ω đc =0 Rad /s

Quá trình đảo chiều

[4s ; 5s]: động cơ đảo chiều, tốc độ tăng dần từ ω đc =0 Rad /s đến

ω đc =250 Rad /s

[5s ; 7s]: động cơ quay ổn định ở ω đc =250 Rad /s

[7s ; 8s]: tốc độ động cơ giảm dần từ ω đc =250 Rad /s đến ω đc =0 Rad /s

1.1.3 Xác định momen, momen quán tính của hệ và quy đổi

Khối lượng trống tời: mt = 3 kg

Khối lượng tải: m = 17 kg

Trang 8

Jqđ: Momen quán tính của động cơ quy về trục động cơ

Trang 9

8

Trang 10

1.1.4 Tính công suất động cơ

100

0

Trang 11

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B Hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A9

Trang 12

Từ những tính toán ở trên ta chọn động cơ : IP54 Pallet

10

Trang 14

1.2 Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần tĩnh (W)stato),

phần ứng (W)roto)

Hình 2 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo bao gồm:

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 (W)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 (W)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

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Nguyên lý làm việc: Khi đặt một điện áp vào phần úng của động cơ, trong dây

quấn phần ứng có dòng điện được đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng tương

hổ lên nhau tạo nên momen tác

dụng lên rotor, làm rotor quay Khi rotor quay với tốc độ nhất định thì các thanh

12

Trang 15

dẫn của dây quấn

phần ứng sẽ cắt từ trường của phần cảm, theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây sinh ra

số hoạt động trên đặc tính tự nhiên sau :

Trang 16

+ mgr

= 0.7125 Nm

1k

Từ 4-5s : Đảo chiều động cơ

Do lúc này momen cản của tải cùng chiều với tốc độ mong muốn và lớn hơn sovới gia tốc góc mong muốn nên động cơ cần sinh ram omen điện từ để hãm lại tốc độ củađộng cơ :

M = J qđ ω0−0

Từ 5-7 s : động cơ hoạt động với tốc độ ổn định:

+ Lúc này thì động cơ phải sinh ra momen hãm ngược bằng với momen cản của tải để động cơ hoạt động với tốc độ ổn định: : M = - Mc = - 1.7 Nm

Từ 7- 8 s : động cơ giảm tốc về không:

14

Trang 17

Động cơ lúc này phải sinh ra momen hãm để giảm tốc độ của tải về không

Trang 18

U d = 2

π

√

× U2 × cosα (W)V)

Ud Max => cosα = 1;

Ud : Điện áp trung bình chỉnh lưu

U2 : Điện áp nguồn điện xoay chiều

Theo điện áp định mức của động cơ:

=> U2= 2π

√

×12=13.33(V )

=> Ungmax =

√

2× 13.33=18.85

V

Điện áp ngược của van cần chọn: U ngv =k dt × U ngmax =1.5 ×18.85=28.28 (W)V)

2.1.2.2 Dòng điện làm việc của van

Ihdv : Dòng điện hiệu dụng qua van

Iđm : Dòng điện qua tảiDòng điện hiệu dụng của van cần được chọn:

Dựa vào Ungcv và Ihd ta chọn van

Điện áp ngược van: 1600 VDòng điện làm việc cực đại: 80 ADòng điện xung điều khiển: 450 mADòng điện duy trì: 100mA

2.1.3 Tính toán máy biến áp lực

2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu trên tải

α min=10o: góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

∆ U

v: sụt áp trên thyristorSinh viên thực hiện: Nguyễn Văn B Hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

16

Trang 19

2.1.3.2 Công suất biểu kiến của MBA

Công suất tối đa của tải: P dmax =U d 0 × I đm =15.82 ×52.08=823.9 W

Công suất biểu kiến: S = K s × P dmax =1.23 ×823.9=1013.39VA

Ks : Hệ số công suất theo sơ đồ cầu 1 pha

Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1 = 220V

Điện áp cuộn dây thứ cấp:U2= U

Trang 20

2.1.3.5 Tiết diện dây dẫn

S d = J I

(

mm

)

+ J: mật độ dòng điện trong máy biến áp, chọn J = 2,5 (W) mm A2 ¿ Tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp:

Hệ số san bằng : đánh giá hiệu quả khâu lọc

18

Trang 21

qin U

σ (1 )∈ ¿× U dout

qout U σ (1) out ×U din

Giả sử độ sụt áp một chiều trên bộ lọc không đáng kể:U din ≈ U

Chọn mạch lọc với: C=100 Fvà L=5.07mH

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT, MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu chung:

3.1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor:

Trang 22

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa URC (W)thường là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp thyristor.

Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk , tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra gửi sang tầng khuếch đại

Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mởthyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điểu khiển (W)thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiển với mạchđộng lực (W)nếu điện áp động lực quá lớn)

Mạch điều khiển là khâu quan trọng nhất trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vaitrò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi.Yêu cầu của mạch điểu khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

Độ rộng xung điều khiển

Độ lớn xung điều khiển

Yêu cầu về tốc độ của rang

Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

Yêu cầu về độ tin cậy: Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để thyristor không tự mở khi dòng rò tăng Xung điều khiển ít phụ thuốc vào dao động nhiệt độ, dao đông điện áp nguồn Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh

mở nhầm

Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Thiết bị thay thế để lắp ráp và điều chỉnh, mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao

Là tạo xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu

Chức năng của mạch điều khiển:

Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương điện áp đặt trên anode – cathode của thyristor

20

Trang 23

Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor độ rộng xung tx < 10μs.s.

dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Đối tượng cần điểu khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α

Mạch điều khiển của thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạchđiều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khốngchế ngang và khống chế đứng

Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyểnđiện áp sang hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp tựa Nhước điểm củaphương pháp này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xáccủa góc điều khiển thấp

Khống chế đứng là phương pháp tạo ra góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện

áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa Phương pháp này có độ chính xáccao và khoảng điều khiển rộng (W)0 ÷ 180 o)

Có hai phương pháp điều khiển thẳng đứng là tuyến tính và arccos

Ta chọn phương pháp điểu khiển thẳng đứng tuyến tính

Trang 24

3.2 Nguyên lý hoạt động từng khâu:

Hình

Nguyên lý hoạt động:

Tại OPAMP A1:

Trong nửa chu kỳ dương: U+(W)A1)>U-(W)A1) => UB>0

Trong nửa chu kỳ âm: U+(W)A1)>U-(W)A1) => UB>0

Tại OPAMP A2:

Khi UB > 0 thì T1 khóa U+(W)A2)>U-(W)A2) Ta xét mạch tích phân gồm: biến trở R3, tụ

t

−1

C1, và OPAMP A2 lúc đó U đb =U c=

∫

R

×C

×U B dt

Vì UB = const => hàm tuyến tính

Khi UB < 0 thì T1 mở UB < U-(W)A2), diode D1 khóa Lúc này, U-(W)A2)=UC1=0

=> Có dòng qua tụ tăng => Điện áp tại Uc âm để cân bằng điện áp về 0

22

Trang 25

Hình

Nguyên lý làm việc:

Tại OPAMP A3 ta có: U-(W)A3) = URC + Uđk; U+(W)A3) = 0

Khi URC + Uđk < 0  U-(W)A3) < U+(W)A3) => UD = Vcc

Trang 26

Đối với một sơ đồ mạch, để giảm dòng công suất cho tầng khuếch đại và tăng sốlượng cho xung kích mở, nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn, người tahay phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầngkhuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ tầng so sánh và từ bộphát xung chùm như hình vẽ:

Hình

24

Trang 27

Tụ C sẽ bắt đầu nạp trở lại, quá trình nạp xả tiếp nối luân phiên như vậy tạo nên

xung chùm đa hài UE

Trang 28

25

Trang 29

3.2.4 Khâu khuếch đại:

HìnhVới nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor như đã nêu trên, tầng khuếch đạicuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất như hình vẽ Để có xung dạng kim gửi đến thyristor, ta dung biến áp xung (W)BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng transistor T2, diode D2 và D3 để bảo vệ T2 và cuộn dây sơ cấp BAX khi T2 khóa độtngột

Trong thực tế xung điều khiển cần có độ rộng bé (W)cỡ 10 ÷ 200 μss), mà thời gian mở thông của transistor công suất dài (W)tối đa tới một nửa chu kì 0.01s), làm cho công suất tỏa nhiệt dư của transistor quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp BAX lớn Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt T2 và kích thước dây sơ cấp BAX, ta có thể them tụ nối tầng C3 Theo

Trang 30

sơ đồ này, T2 chỉ cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng

điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần

Hình

27

Trang 31

3.3 Tính toán thông số mạch điều khiển:

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu mở thyristor Do đó ta có thoogn

số cơ bản để tính mạch điều khiển:

Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk =

Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk = Ig = 0.18A

Thời gian mở Thyristor: tm =

Độ rộng xung điều khiển: tx = 2 x tm = μss

Tần số xung điều khiển: f

Điện áp thứ cấp của MBA xung: U2 = Uđk =

Điện áp đặt lên cuộn thứ cấp MBA xung: U1 = m x U2 =

Dòng điện thứ cấp của MBA xung: I2 = Iđk =

Dòng điện sơ cấp của MBA xung:I1= I

m2 = ¿

3.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng:

Chọn transistor công suất loại 2SC911 NPN vật liệu bán dẫn silic

Điện áp giữa Collector và Bazo khi hở mạch Emitter: U CBO = 40V

Điện áp giữa Emitter và Bazo khi hở mạch Collector: EBO = 4V

Công suất tiêu tán ở Collector: = 1,7 W)175

Nhiệt độ lớn nhất của=mặt50 tiếp giáp: 1 = ° Hệ số khuếch đại:

Dòng điện Collector max: IC3max = 0,5 A

28

Trang 32

Dòng điện làm việc của Collector: 3 = 1 =

Dòng điện làm việc của Bazơ: I B 3 =

I

C3

=¿

β

= A

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé:

Do đó ta chỉ cần một tầng khuếch đại cũng đủ công suất điều khiển Tranzitor

đ Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 15 V, với nguồn E = 15 V ta phải mắc thêm

3.3.3 Chọn cổng AND

Toàn mạch điều khiển phải dùng 4 cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS

HìnhMỗi IC 4081 có 4 cổng AND Các thông số của cổng AND là:

Nguồn nuôi IC: VCC = 3÷18V, ta chọn Vcc = 12V

Nhiệt độ làm việc: Tlv = −40÷ 800 C

Điện áp ứng với mức logic “1” : 2 ÷ 4.5 V

29

Trang 33

Dòng điện: I < 1mACông suất tiêu thụ: P = 2,5 (W)nW)/1 cổng)

3.3.4 Chọn tụ C 3 và R 9 :

Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazo của Transitor T3, chọn R9

thỏa mãn điều kiện

Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 4 IC loại

TL084, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán

Điện áp nguồn nuôi: = ± 18 chọn Vcc = Hình

Tổng trở đầu vào:6

Trang 34

= 30 Dòng điện đầu ra: = 1

Dòng điện đầu vào:

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du

Trang 35

Tranzitor loại PNP làm bằng Si.

Điện áp giữa Emitter và Bazơ lúc mạch Collector: UEBO = 7V

Dòng điện lớn nhất có Collector có thể chịu được: IC-max = 100 mA

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: TCP = 150º

Hệ số khuếch đại : β = 250

Dòng cực đại của bazo: I B 1= I

β c

Điện trở để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzitor T1 được chọn như sau:

Chọn R2 thõa mãn điều khiển:

R2 ≥ V cc

=¿

I B

Chọn điện áp đồng pha:UA =

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại đi vào khuếch đại thuật

toán A1 thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán: Iv < 1 mA

3.3.8 Tạo nguồn nuôi

Ta cần tạo ra nguồn điện áp U = ± 12V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, các

bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Ở mạch cầu 1 pha, ta có:

Trang 36

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912.Các thông số chung của vi mạch là:

Điện áp đầu vào: UV = 7 ÷ 35V

Điện áp đầu ra: Ura = 12V với IC 7812

Điện áp đầu ra: Ura = -12V với IC

Tiêu đề	Điều Khiển Và Giám Sát Tốc Độ Động Cơ Một Chiều Sử Dụng Vi Điều Khiển (Cầu Trục)
Tác giả	Đinh Phú Giang, Trần Lê Công Ẩn, Nguyễn Hoàng Min, Lê Khắc Cường, Nguyễn Trường Bảo Ngân
Người hướng dẫn	TS. Giáp Quang Huy
Trường học	Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Dự án liên môn
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	463,96 KB