Với đề tài này, giúp em thấy được sự cần thiết của đông cơ điện trong cuộc sống hiện tại, những phương pháp lựa chọn động cơ, tính toán tải … nhằm xây dựngmột hệ thống điều khiển đảm bảo
Tổng quan về hệ thống, tính toán yêu cầu của tải và công suất động cơ
Tổng quan về hệ thống
1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô tả bài toán của đề tài
Dự án tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ cho hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Hệ thống này đảm bảo kiểm soát chính xác tốc độ của tải chuyển động quay, nâng cao hiệu quả vận hành và ổn định của toàn bộ quá trình Việc sử dụng động cơ không chổi than giúp giảm thiểu bảo trì và tăng tuổi thọ cho hệ thống truyền động Thiết kế này phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng điều chỉnh linh hoạt trong điều kiện làm việc đa dạng.
Hệ truyền động cần được điều khiển chính xác để đảm bảo vật có khối lượng M chuyển động quay với tốc độ mong muốn theo thiết kế Việc lựa chọn tải phù hợp là yếu tố quan trọng trong quá trình tối ưu hóa hệ thống truyền động Điều khiển động cơ hiệu quả giúp hệ thống hoạt động ổn định, chính xác theo yêu cầu đề ra Những yêu cầu này đảm bảo rằng vật thể quay đạt tốc độ mong muốn, phù hợp với mục đích ứng dụng trong nghiên cứu hoặc thực tế sản xuất.
- Jm: Mô men quán tính trên trục động cơ
- 𝜔m: Tốc độ quay động cơ
- 𝑇em: Mô men điện từ của động cơ
Hình 1 Tải chuyển động quay
- 𝜔: Tốc độ mong muốn của tải
Theo yêu cầu, trục rotor của động cơ cần phải quay với tốc độ mong muốn để đáp ứng yêu cầu của máy tiện Điều này đảm bảo truyền động hiệu quả cho máy tiện, giúp vận hành chính xác và tối ưu hóa quá trình gia công Việc điều chỉnh tốc độ quay của rotor là yếu tố quan trọng để đạt được chất lượng và hiệu suất cao trong quá trình gia công bằng máy tiện.
+ Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả ở Hình 6 ta xác định được các giai đoạn hoạt động của động cơ như sau:
- Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn
- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn
- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0
- Đảo chiều và tăng tốc lên theo chiều ngược lại
- Hoạt động ổn định ở tốc độ mong muốn
- Hãm dừng, giảm tốc độ về 0
1.1.2Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động điện
- Phần lực (mạch lực): Lưới điện (nguồn điện) cấp điện năng đến bộ biến đổi
(BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động phụ tải (MSX).
+ Bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại)
+ Bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà)
+ Bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu thyristor, diode, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, thyristor). Động cơ điện:
+ Một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.
- Phần điều khiển (mạch điều khiển):
+ Các cảm biến (để đo phản hồi tốc độ, dòng điện… của động cơ)
+ Bộ điều khiển (sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, máy tính công nghiệp, PLC, …).
Sử dụng các thông tin từ cảm biến để điều khiển động cơ theo mong muốn
Từ yêu cầu chuyển động của tải ta đưa ra được mối quan hệ giữa các bộ phận của hệ truyền động:
- Tải chuyển động quay được truyền động từ trục Rotor của động cơ
- Để động cơ hoạt động cần cấp một nguồn điện phù hợp với các thông số định mức động cơ → cần có bộ biến đổi công suất
Để giám sát tốc độ động cơ hiệu quả, cần sử dụng các cảm biến đo lường chính xác các tín hiệu liên quan Các cảm biến dòng và cảm biến tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu cần thiết để theo dõi và điều chỉnh hoạt động của động cơ Việc lắp đặt đúng các cảm biến này giúp nâng cao hiệu suất vận hành và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
Để hệ truyền động đáp ứng chính xác các giá trị cảm biến thu được so với giá trị mong muốn, cần tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp Điều này đòi hỏi phải có bộ điều khiển hiệu quả giúp điều chỉnh và duy trì hoạt động của động cơ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác theo yêu cầu.
Hình 2 trình bày tổng quan hệ thống thiết kế máy tiện của nhóm chúng tôi Đề tài tập trung vào việc phát triển một máy tiện sử dụng động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu để điều khiển và giám sát hoạt động Hệ thống được thiết kế nhằm đảm bảo khả năng điều chỉnh tải quay theo mong muốn, đáp ứng các yêu cầu về chính xác và hiệu suất trong quá trình gia công Phần mềm điều khiển và bộ cảm biến tích hợp giúp tối ưu hóa hoạt động của động cơ, mang lại độ bền và độ tin cậy cao cho máy tiện.
Hình 3 Hình minh họa mô hình
Tính toán tải và chọn động cơ
Hình 4 Sơ đồ khối động lực
Khối động lực gồm các thành phần chính như bộ biến đổi công suất, động cơ điện, hộp số và tải là máy tiện, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động Bộ biến đổi công suất kiểm soát và điều chỉnh nguồn năng lượng cho động cơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Động cơ điện chuyển đổi năng lượng thành cơ học, cung cấp lực để quay trục chính của máy tiện Hộp số điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn phù hợp với yêu cầu gia công, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả Tải là máy tiện, thực hiện công đoạn gia công dựa trên lực và mô-men xoắn được truyền từ khối động lực, góp phần tạo ra sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
Bộ biến đổi công suất, thường là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, đóng vai trò quan trọng trong các hệ truyền động điện hiện đại Trong đề tài này, bộ biến đổi công suất có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 1 pha cố định thành nguồn điện DC để cấp phát cho động cơ Việc sử dụng bộ biến đổi công suất tối ưu giúp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống truyền động điện.
Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được sử dụng để truyền động cho tải, mang lại hiệu suất cao và độ bền vượt trội Trục rotor của động cơ có chức năng truyền động trực tiếp cho tải, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả Với thiết kế đơn giản và ít bộ phận chuyển động, động cơ này phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp, nâng cao hiệu suất vận hành.
Trong các trường hợp yêu cầu tốc độ thấp hơn mong muốn, ta có thể chọn động cơ có tốc độ cao hơn và sử dụng hộp số để giảm tốc độ của động cơ phù hợp với nhu cầu Việc điều chỉnh tốc độ bằng hộp số giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống và đảm bảo động cơ hoạt động trong giới hạn an toàn Sử dụng hộp số là giải pháp hiệu quả để điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Hình 5 Sơ đồ khối điều khiển
Khối điều khiển có vai trò giám sát, tính toán và điều chỉnh các giá trị để đảm bảo phần động lực hoạt động chính xác theo yêu cầu mong muốn Nó chịu trách nhiệm đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp nhằm duy trì hiệu suất tối ưu của hệ thống Mỗi phần trong khối điều khiển đều có chức năng riêng biệt nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành và đảm bảo kết quả đầu ra phù hợp với mục tiêu đề ra.
- Bộ cảm biến có chức năng đo và phản hồi các giá trị tốc độ góc và dòng điện của động cơ về bộ điều khiển.
Bộ điều khiển được lập trình các thuật toán điều khiển truyền động và điều chỉnh quá trình công nghệ Nhờ các thông tin phản hồi và giá trị đặt mong muốn ở đầu vào, các thuật toán điều khiển tính toán và cung cấp các giá trị điều khiển cần thiết Điều này giúp kiểm soát chính xác tốc độ thực của động cơ theo đúng mức độ mong muốn, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao trong quá trình vận hành hệ thống công nghiệp.
1.2.1 Tính toán yêu cầu của tải
Trong bài viết, chúng tôi trình bày cách xác định các thông số cần thiết của tải dựa trên mô tả bài toán, đồng thời cung cấp tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Phân tích các đặc điểm kỹ thuật của loại động cơ này giúp đưa ra phương án truyền động phù hợp, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Các bước tính toán và lựa chọn hợp lý sẽ giúp thiết kế hệ thống truyền động hiệu quả, phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.
0 ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ MONG MUỐN CỦA ĐỘNG CƠ t (s) ω (r ad /s )
Hình 6 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ
r là bán kính của tải (m)
M là khối lượng của tải (kg)
ω 0 là tốc độ mong muốn của động cơ (rad/s)
l là chiều dài của tải (m)
Dựa vào quá trinh hoạt động của động cơ ta đi tính toán momen
- Theo định luật II Newton ta có:
Lực mô men yêu cầu để quay trục rotor của động cơ là yếu tố quan trọng trong thiết kế motor, tuy nhiên do chưa chọn loại động cơ phù hợp nên chưa xác định chính xác giá trị này Sau khi lựa chọn động cơ, chúng tôi sẽ tiến hành kiểm nghiệm và điều chỉnh phù hợp để đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu Để thuận lợi trong quá trình tính toán ban đầu, chúng tôi cũng tạm thời bỏ qua các ngoại lực 𝑓L Hiện tại, hệ thống xác định công thức sơ bộ momen điện từ của động cơ nhằm phục vụ cho các bước phân tích ban đầu.
- Lúc này ta tính toán mô men điện từ cần cung cấp để kéo tải trong từng giai đoạn như bảng sau:
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 0s đến 2s
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 2s đến 4s
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 4s đến 5s
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 5s đến 6s
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 6s đến 8s
Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian từ 8s đến 10s
- Tính momen đẳng trị theo công thức
Chọn hệ số dự trữ của momen là KT = 1.2
- Từ các kết quả tính toán của mô men điện từ ta tính được công suất tức thời cần đáp ứng của tải thông qua biểu thức:
Tính toán công suất tức thời yêu cầu của tải theo thời gian
Tính công suất đẳng trị theo công thức
Suy ra được đồ thị công suất động cơ theo tốc độ ω m
Hình 8 Đồ thị công suất
1.2.2Phân tích chọn phương án truyền động cho động cơ
1.2.2.1 Các trạng thái hoạt động của động cơ
Hình 9 Đồ thị trạng thái hoạt động của động cơ
- Từ 0s đến 4s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ I (chế độ động cơ)
- Từ 4s đến 5s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ II (chế độ máy phát)
- Từ 5s đến 6s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ III (chế độ động cơ)
- Từ 8 đến 10s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ IV (chế độ máy phát)
Ta suy ra được các trạng thái hoạt động của động cơ:
1.2.2.2 Chọn phương án khởi động động cơ
Khởi động mềm là công nghệ sử dụng bộ biến đổi điện tử để điều chỉnh nhẹ nhàng điện áp phần ứng Va của động cơ Quá trình này bắt đầu từ một giá trị ban đầu Va và dần tăng lên theo quy luật đã được lập trình trước Điện áp phần ứng được cài đặt để tăng theo các quy luật tuyến tính hoặc phi tuyến, giúp tăng dần từ giá trị ban đầu đến mức điện áp định mức, đảm bảo quá trình khởi động trơn tru và ổn định của động cơ.
1.2.2.3 Chọn phương án đảo chiều động cơ:
- Phương trình đặt trưng khi đảo chiều:
Giữ nguyên điện áp định mức khi đảo chiều dòng điện có giá trị lớn, gây nhiệt và quá nhiệt cho động cơ Điều này còn tạo ra mô men đảo chiều cực kỳ lớn, gây ra xung lực và vặn xoắn mạnh, dẫn đến nguy hiểm cho động cơ, tải và toàn bộ hệ thống sản xuất.
Để tối ưu hóa phần cứng và giảm chi phí cho hệ thống, việc lựa chọn đảo chiều động cơ điện kích từ độc lập bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng là giải pháp hiệu quả Phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì và lắp đặt Việc áp dụng kỹ thuật đảo chiều điện áp phần ứng đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong quá trình điều khiển động cơ, góp phần tối ưu hóa toàn diện hệ thống điện.
1.2.2.4 Chọn phương án điều khiển tốc độ động cơ:
❖ Phương pháp điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ:
Hình 11 Sơ đồ mạch thay đổi điện áp phần ứng và sơ đồ thay thế
Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ một chiều, cần sử dụng các thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập hoặc các bộ chỉnh lưu điều khiển Các thiết bị này có chức năng chuyển đổi năng lượng xoay chiều thành nguồn điện một chiều có sức điện động Eb được điều chỉnh linh hoạt nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.
Phương trình đặc tính cơ của hệ truyền động điện một chiều điều chỉnh điện áp phần ứng giúp xác định hành vi của hệ khi từ thông giữ không đổi và hoạt động ở mức định mức Điều này cho thấy rằng, bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng, ta có thể kiểm soát tốc độ và mô-men của động cơ một chiều một cách hiệu quả Phương trình này còn giúp phân tích các đặc tính làm việc của hệ truyền động trong các điều kiện khác nhau, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của hệ thống.
Sự khác biệt chính giữa đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ của hệ truyền động điện nằm ở mức độ sụt tốc độ Dw Trong hệ truyền động điện, độ sụt tốc độ này lớn hơn do sự có mặt của điện trở trong Rb của bộ biến đổi Điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và khả năng điều khiển của hệ truyền động Hiểu rõ sự khác biệt này giúp tối ưu hóa quá trình truyền động và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hình 12 Điều chỉnh tốc độ động cơ
Khi điều chỉnh giá trị điện áp Uđk, ta nhận được các giá trị điện áp 𝐸𝑏 khác nhau và xác định được đặc tính cơ của máy song song với các giá trị tần số góc w0 khác nhau Điều chỉnh điện áp phần ứng của motor làm tăng công suất động cơ tuyến tính theo điện áp, trong khi khả năng sinh mô men của động cơ vẫn giữ nguyên.
Tính chọn công suất động cơ
Với các giá trị đẳng trị của momen và công suất đã tính, ta phải lựa chọn động cơ sao cho:
- Dựa vào thông số yêu cầu của động cơ ta đo chọn động cơ cụ thể
Chọn động cơ Graphite brushes, 150 watt, 40 mm∅ cùng với hộp số SpurGearhead GS 45 A 45 mm, 0.5–2.0 Nm∅
Hình 15 Datasheet của động cơ
Hình 14 Hình chiếu và mặt cắt của động cơ
Chọn tỉ lệ truyền hộp số: I = ω ω 0 = 6920 1000 => 7:1
1.3.2 Kiểm nghiệm các thông số điện cơ của động cơ:
1.3.2.1 Tính toán lại các thông số yêu cầu của tải sau khi chọn động cơ và hộp số:
- Sau khi chọn được động cơ và hộp giảm tốc ta sẽ tính toán lại momen và công suất yêu cầu của tải để kiểm nghiệm.
- Lúc này ta xác định momen điện từ yêu cầu của tải là:
1.3.2.2 Tính toán các thông số trên đầu trục ra hộp số:
- Mối quan hệ của các thông số của động cơ trước và sau khi qua hộp số được biểu diễn bởi công thức sau:
+n1max : Tốc độ cực đại của động cơ.
+ 𝑛2max : Tốc độ cực đại trên đầu trục ra của hộp số.
+ 𝑇1đm : Mô men định mức của động cơ.
+ 𝑇2đm : Mô men định mức trên đầu trục ra của hộp số.
+ 𝑇1max : Mô men cực đại của động cơ.
+ 𝑇2max : Mô men cực đại trên đầu trục ra của hộp số.
1.3.3 Kiểm nghiệm động cơ bằng mô phỏng MATLAB / SIMULINK:
Kiểm nghiệm cấp nguồn cho động cơ nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả dưới tải, bằng cách điều chỉnh thông số nguồn cấp trực tiếp cho động cơ Đồng thời, thay đổi sơ đồ mạch điện giúp xác định cấu hình tối ưu để đảm bảo độ ổn định và hiệu suất vận hành của hệ thống Quá trình này đảm bảo nguồn cấp phù hợp, giúp động cơ hoạt động liên tục và bền bỉ dưới các điều kiện tải khác nhau.
Hình 16 Datasheet của hộp số
Biểu diễn các kết quả kiểm nghiệm trên đồ thị đối với tín hiệu dòng điện, điện áp, mô-men, tốc độ quay và từ thông giúp đánh giá chính xác hiệu suất của động cơ Phân tích các kết quả đáp ứng, kiểm nghiệm có vai trò quan trọng trong việc xác định các điểm phù hợp và phát hiện lỗi tiềm ẩn trong quá trình vận hành Việc hiệu chỉnh lại động cơ và tải dựa trên các dữ liệu đo đạc giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống.
Hình 18 Mô phỏng Simulink động cơ
THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
Chọn bộ biến áp
Đề tài này yêu cầu sử dụng nguồn điện áp xoay chiều 1 pha 220V để điều khiển động cơ DC Với điện áp tối đa là 12V, chúng ta cần phải sử dụng máy biến áp để giảm điện áp từ 220V xuống mức phù hợp Máy biến áp giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình điều khiển động cơ DC, đồng thời phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
U d = 2 √ π 2 U 2 (U d : điện áp trung bình chỉnh lưu; U 2 : điện áp thứ cấp)
Sử dụng máy biến áp với tỉ số là 1:17.
Thiết kế bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển gồm 4 phần tử Diode được mắc như hình bên:
Hình 19 Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu
Hình 20 Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu
- Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển có cấu tạo gồm 4 diode, 2 diode D1 và D2 mắc chung katot, 2 diode D3 D4 mắc chung anot với nhau tạo thành mạch hình cầu.
- Bộ chỉnh lưu có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều không điều khiển.
+ Khi nguồn xoay chiều đặt điện áp dương lên điểm A và điện áp âm lên điểm B,
2 diode D1 D3 phân cực thuận nên dẫn dòng chạy qua, 2 diode D2 D4 phân cực ngược nên khóa lại Dòng điện chạy theo chiều từ nguồn → điểm A → D1 → tải → D3 → điểm
+ Khi nguồn xoay chiều đặt điện áp ngược lại lên 2 điểm A và B, tương tự D2 D4 dẫn, D1 D3 khóa, dòng chạy theo chiều từ dương nguồn → điểm B → D2 → tải → D4
+ Ta thấy trong suốt quá trình, dòng điện đều qua tải theo 1 chiều từ M đến N.
Hình 21 Đồ thị điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu
*Điện áp ngược lên van:
U ngmax = √ 2 U 2 = √ 2× 13.33 = 18.85 (V) Điện áp ngược của van cần chọn:
Chỉnh lưu cầu 1 pha nên:
Trong tính toán ta phải tính sao cho Ud lớn nhất, cosα = 1
U d = 12 (V): điện áp trung bình sau chỉnh lưu
* Dòng điện làm việc của van:
Với I dm = I d = Udm× ηdm Pdm = 12× 80 0.85 = 7.84 (A)
Dòng điện hiệu dụng của van cần chọn
Dựa vào: U ngmax = 32.045 (V) và I hdvan ’ = 6.648 (A) để chọn Diode: Schottky 10SQ045 45V-10A
Thiết kế mạch lọc
- Chức năng: để hạn chế thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu để giảm độ nhấp nhô của dòng điện và điện áp tải.
Tính toán thiết kế bộ lọc 1 chiều là quá trình xác định giá trị điện cảm lọc và tụ điện lọc phù hợp nhằm đảm bảo hệ số đập mạch theo yêu cầu Mục đích chính của việc này là tối ưu hóa hoạt động của bộ lọc để lọc nhiễu hiệu quả và hiệu chỉnh nguồn điện, giúp nguồn điện trở nên ổn định và phẳng hơn Việc tính toán chính xác các giá trị này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện một chiều.
- Chọn bộ lọc: bộ lọc LC
+ L và C có quan hệ: L.C = 10 ( k sb +1) m dm 2 ( μF H ¿ + Thông thường chọn trước trị số điện cảm L theo biểu thức sau:
+ Thông thường ta chọn mdm = 2; f1= 50 Hz
Hình 26 Cuộn cảm Hình 25 Bộ lọc LC
+ Sau khi chọn được giá trị của L, ta xác định giá trị của C theo biểu thức:
+ Ta chọn ksb= 11 (với ksb: hệ số san phẳng)
→ Ta chọn tụ C có giá trị 3300 μF
Thiết kế mạch cầu H sử dụng Mosfet
Nguyên lý đảo chiều động cơ DC dựa trên khả năng thay đổi chiều dòng điện chạy vào động cơ, từ đó làm thay đổi chiều quay của động cơ Khi cấp đổi chiều điện, động cơ sẽ đảo chiều quay một cách dễ dàng, giúp phù hợp với các yêu cầu vận hành khác nhau trong các hệ thống kỹ thuật Tính năng này giúp động cơ DC linh hoạt trong việc kiểm soát hướng quay, làm tăng hiệu quả và ứng dụng đa dạng trong công nghiệp.
Hình bên dưới thể hiện sơ đồ mạch cầu H đơn giản sử dụng 4 công tắc, giúp điều khiển tải hiệu quả Các công tắc này có thể được thay thế bằng relay hoặc các khóa bán dẫn công suất để nâng cao độ bền và hiệu suất của hệ thống Sơ đồ này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển motor hoặc thiết bị công suất lớn, mang lại sự linh hoạt và dễ dàng thay thế các thành phần Việc sử dụng relay hoặc các khóa bán dẫn giúp giảm tổn thất năng lượng và tăng độ bền của mạch điều khiển.
Hình 28 Nguyên lý mạch cầu H
+ Khi đóng đồng thời công tắc S1 và S4 thì dòng điện sẽ chạy từ nguồn VCC qua S1, động cơ, S4 và về MASS Động cơ sẽ quay theo chiều thuận.
Khi đóng hai công tắc S3 và S2, dòng điện sẽ chạy theo chiều ngược lại từ S3 qua động cơ, sau đó qua S2 và trở về mass Điều này khiến động cơ quay theo chiều ngược lại so với trạng thái ban đầu, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống điều khiển điện.
2.4.2 Mạch cầu H sử dụng Mosfet điều khiển tốc độ: Để điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ thì các công tắc trên được thay bằng các khóa bán dẫn như Transitor, Mosfet, IGBT.
Hình 29 Mạch cầu H dùng Mosfet
Chọn Vi điều khiển
Lựa chọn vi điều khiển phù hợp
Chọn vi điều khiển Arduino Uno
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 do Arduino.cc phát triển, là một vi điều khiển phổ biến sử dụng trong các dự án điện tử nhờ khả năng lập trình dễ dàng và độ tin cậy cao Bảng mạch tích hợp các bộ chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog, cho phép kết nối và tương tác linh hoạt với nhiều loại bảng mạch mở rộng khác nhau để mở rộng chức năng.
Chip điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào(khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số chân Digital 14 (of which 6 provide PWM output)
Dòng điện DC trên mỗi chân I/O 20 mA
Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB use bootloader
Tốc độ thạch anh 16 MHz
Chọn cảm biến
3.2.1 Cảm biến đo dòng điện ACS712 20A
Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép đo chính xác dòng điện trong các hệ thống điện Nó xuất ra tín hiệu analog Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp DC hoặc AC trong phạm vi đã định Tụ (Cf theo sơ đồ) được sử dụng để chống nhiễu, giúp tăng độ chính xác và ổn định của đo lường, với giá trị phù hợp tùy theo mục đích sử dụng của từng ứng dụng.
Thông số kĩ thuật chung:
+ Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às.
+ Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
+ Nguồn vận hành đơn là 5V.
+ Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A.
+ Điện áp ra cực kỳ ổn định.
Hình 33 Cảm biến đo dòng điện
3.2.2 Cảm biến đo tốc độ
Hình 34 Datasheet của cảm biến
Hình 35 Datasheet của cảm biến
Hình 36 Cảm biến tốc độ góc
THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN
Xây dựng mô hình toán học của hệ thống
4.1.1 Mô hình toán học của động cơ
Phương trình điện áp phần ứng :
Va(t) = ea(t) + Raia(t) + La di a ( t ) dt (1) Phương trình suất điện động cảm ứng trong rotor:
Phương trình mô-men điện từ:
Phương trình mô tả quan hệ điện - cơ :
Chuyển phương trình điện áp của mạch phần ứng (1) từ miền thời gian sang miền Laplace:
Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng trong rotor (2) từ miền thời gian sang miền Laplace:
Thay phương trình (6) vào (5) và rút ra :
Tương tự, từ phương trình (3) và (4) chúng ta rút ra được:
Từ những phương trình trên ta có mô hình toán học của động cơ điện 1 chiều với giả thuyết momen tải tỉ lệ với tốc độ như sau:
Biến đổi sơ đồ khối về dạng:
Hàm truyền của hệ động cơ là: ω(s)
- Các thông số động cơ cần thiết cho việc tính toán:
-Trong đó La, Ra lấy từ datasheet động cơ, J lấy từ datasheet hộp số
4.1.2 Mô hình toán học của bộ băm điện áp:(Bộ biến đổi công suất)
- Bộ băm điện áp được điều khiển theo nguyên lý PWM được mô hình hóa bằng một khâu khuếch đại:
Trong đó v c là điện áp điều khiển của bộ biến đổi.
4.1.3 Mô hình toán học của cảm biến:
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện được mô tả bằng hệ số khuếch đại Hc, giúp dự đoán chính xác sự biến đổi của dòng điện trong hệ thống Trong quá trình phân tích, thời gian trễ của cảm biến ACS712, khoảng 5 microgiây, được bỏ qua để đơn giản hóa mô hình và nâng cao độ chính xác của các tính toán điều khiển Việc xác định chính xác hệ số khuếch đại Hc đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống phản hồi dòng điện, đảm bảo hiệu quả và ổn định trong quá trình vận hành.
-> Cảm biến dòng có hệ số khuếch đại Hc=1
+ Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ: G CS = K ω
T ω s +1 Trong đó: K ω hệ số khuếchđại củacảm biến
4.1.4 Mô hình toán học của hệ thống truyền động điện:
Trong đó Gcs(s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển tốc độ, Gcc(s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển dòng điện.
Trong sơ đồ khối, sức điện động E_b(s) thể hiện như một nhiễu của mạch vòng dòng điện, tuy nhiên do công suất của động cơ nhỏ nên ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng có thể bỏ qua trong mô hình toán học Vì vậy, mô hình toán học của hệ truyền động điện có thể được đơn giản hóa về dạng phù hợp để phân tích và điều khiển hiệu quả.
4.1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
- Ta có mô hình toán học mạch vòng dòng điện:
- Ta sử dụng thuật toán điều khiển PI cho bộ điều khiển dòng điện, do đó:
- Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: K pc s+ K ic
- Để loại trừ điểm cực không, ta chọn K pc và K ic sao cho: R L a a = K ic
Tần số cắt của hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện được ký hiệu là ω cc Tại tần số cắt này, biên độ của hàm truyền hệ hở bằng 1, phản ánh đặc điểm quan trọng trong phân tích phản hồi của mạch Hiểu rõ về tần số cắt giúp tối ưu hóa và điều chỉnh mạch để đạt hiệu quả hoạt động mong muốn trong các ứng dụng kỹ thuật điện.
( K pc L K a PWM ) ω cc =1 ω cc được lấy bằng 100π.
- Vậy ta tính được các thông số K pc và K ic của bộ điều khiển như sau:
4.1.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
- Ta có mô hình toán học của mạch vòng dòng điện:
- Bộ điều khiển tốc độ cũng sử dụng thuật toán PI, ta tổng hợp mạch vòng tốc độ tương tự như mạch vòng dòng điện:
+ Tần số cắt ω cs được lấy bằng ω 4 cc
+ Hàm truyền hệ hở của mạch vòng tốc độ: K ps s + K is
+ Chọn K ps và K is sao cho: B J = K K is ps
Hình 4 1 Mô hình toán học mạch vòng tốc độ
MÔ PHỎNG SIMULINK VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
- Bộ chỉnh lưu cầu Diode 1 pha:
- Mạch cầu H sử dụng Mosfet để điều khiển động cơ:
Hình 37 Bộ chỉnh lưu cầu Diode 1 pha
Hình 38 Mạch cầu H sử dụng Mosfet để điều khiển động cơ
- Bộ phát xung cho Mosfet:
Hình 39 Bộ phát xung cho Mosfet
- Đồ thị tín hiệu mong muốn:
Hình 41 Đồ thị momen mong muốn
Hình 42 Tốc độ mong muốn
Hình 44 Tổng quát hệ thống
Hình 45 Đồ thị của động cơ
Hình 46 Đồ thị dòng điện và điện áp
Nhóm 3 xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả các Thầy Cô trong ban dạy bộ môn PBL2, những người đã tạo điều kiện cho chúng em được tiếp xúc, học hỏi và tích lũy kinh nghiệm thực tế về làm đồ án Những kiến thức quý báu này sẽ là nền tảng vững chắc cho các cuộc thi PBL tiếp theo và đồ án tốt nghiệp sau này Chúng em chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và hướng dẫn tận tình của Thầy Cô Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2022.