Đồ án Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện một chiều vít me

Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện một chiều – vít me theo phương pháp tối ưu’’ có kèm file autocad và file mô phỏng matllab Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V380V. Trọng lượng tải 1000kg Tốc độ lớn nhất 0.05ms Hệ số ma sát 0.5 Tỉ số hộp truyền 101

Trường Đại học Bách Khoa

GVHD: Giáp Quang Huy

1 Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện một chiều – vít me theo phương pháp tối ưu’’

2 Các số liệu ban đầu:

Mô hình cơ cấu:

-Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động

1.1. Giới thiệu công nghệ/ bài toán

1.2. Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải

1.3. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

1.4. Tính chọn công suất động cơ

1.5. Xác định các tham số của hệ thống

Chương 2: Mô hình hóa hệ thống truyền động điện

2.1. Mô hình toán học của động cơ

2.2. Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống: Bộ biếnđổi, cảm biến,…

2.3. Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện

3.1. Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện

3.2. Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện

3.3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ

Chương 4: Mô phỏng, kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng

4.1. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink

4.2. Phân tích các kết quả mô phỏng

4.3. Đánh giá chất lượng hệ truyền động

Kết luận

4.Bản vẽ: Sơ đồ công nghệ, sơ đồ khối cấu trúc của cả hệ thống, sơ đồ thể

hiện mô hình toán học của hệ thống (bao gồm cả luật điều khiển), sơ đồ môphỏng và các đồ thị kết quả

Kiểm tra tiến độ đồ án Đà Nẵng, ngày 11 tháng 03 năm 2018

Giáo viên hướng dẫn Giáp Quang Huy

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Giới thiệu công nghệ/ bài toán

1.1.1 Vít me

1.1.1.1 Cấu tạo

Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng luôn có dang chung gồm: trục vít

me, đai ốc, vòng bi, ống hồi tiếp

Vít me đai ốc thường: Vít me đai ốc thường được bao gồm một trục được

tiện ren và lắp với một ống được tiện ren trong sao cho hai ren này phải cùngdạng và cùng bước ren với nhau Hình bên dưới là một minh họa về sự ăn khớpgiữa trục vít và đai ốc Khi bu lông di chuyển thì đai ốc sẽ di chuyển tịnh tiến.Tiếp xúc giữa đai ốc và bu lông là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển khó do

ma sát lớn

Hình 1.1: Vít me đai ốc thường

Vít me đai ốc bi : Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục

vít me có hình tròn thay vì hình thang hoặc hình tam giác và những rãnh nàyđược đặt vào các viên bi sắt Mối ghép vít me bi và đai ốc thường là nhữngđường được lấp đầy bằng những viên bi thép Khi trục vít xoay những viên bicuộn tròn trong trục vít me và đai ốc

Hình 1.2: Vít me đai ốc bi

1.1.1.2 Nguyên lí hoạt động:

Hình 1.3 Sơ đồ truyền động

Khi động cơ quoay momen động cơ được truyền qua trục visme thông quahộp số, làm trục visme quoay, Khi trục visme quoay se làm cho đai ốc mà ănkhớp với ren của trục sẽ chuyển động tịnh tiến, trên đai ốc sẽ gắn với tải trọng.Khi đó sử dụng visme như là một dụng cụ di chuyển tải trọng theo phươngngang song song với trục visme

1.1.1.3 Ưu và nhược điểm của mỗi loại:

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải

1.2.1 Yêu cầu công nghệ

- Hệ phải làm việc ổn định, dễ dàng thay đổi được tốc độ vận chuyển tảitrọng

- Vị trí của đai ốc trên trục visme phải được điều khiển một cách chính xáctương ứng với từng khối tải trọng được gắn cùng với đai ốc, trong khoảng

từ 0 – 1000kg

- Do sử dụng động cơ điện một chiều nên cần phải có một bộ chỉnh lưugồm nguồn xoay chiều thành 1 chiều

1.2.2 Đặc tính cơ của tải

Đặc tính cơ của máy sản xuất biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quoay vàmomen cản (Mc) của máy sản xuất

ứng với các loại tải khác nhau thì hệ số mũ q cũng sẽ khác nhau, đối

với bài toán điều khiển vị trí dùng visme thì hệ số q = 0, từ biểu thức

(1) ứng với q = 0 ta suy ra được:

M c = M đm = const

Hình 1.4 Đặc tính cơ của máy sản xuất ứng với trường

1.2.3 Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện

Điểm làm việc ổn định là giao điểm của hai đường đặc tính cơ của động cơ

và của máy sản xuất (M=Mc) Tuy nhiên không phải với bất kì động cơ nào

kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơvới tải Vậy để xét hệ có ổn định hay không ta có điều kiện ổn định

β – βC < 0

Với: + β = dM dω ≈ ΔMM ΔMω Gọi là độ cứng đặc tính cơ của động cơ

+ βC = dMc dω ≈ ΔMMc ΔMω Gọi là độ cứng đặc tính cơ của máy sản xuất

Từ đồ thị hình 1.4 , tại mọi điểm giao giữa đường đặc tính cơ của máy sản

xuất với đường đặc tính cơ của động cơ điện ta đều có β – βc < 0 Nên kết luậnphương án thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là hợplý

1.3 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện

Hình 1.5 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Mạch điều khiển:

- Mạch điều khiển PID liên tục

- Máy phát tốc: xác định chiều và tốc độ của động cơ

- Mạch tạo xung: tạo xung đóng mở thyristor

Mạch động lực:

- Bộ chinh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn: biến đổi điện xoay chiều 3pha thành điện một chiều có giá trị định trước

- Động cơ: cung cấp momen kéo

- Hộp số: giảm tốc độ và tăng momen kéo

- Vít me: biến đổi chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến

1.4 Tính chọn công suất động cơ

1.4.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.4.1.1 Khái niệm

Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện mộtchiều Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ.Nghĩa là máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngượclại

1.4.1.2 Cấu tạo

Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:

+ Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy,.thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc Stato là mạch từ cũng là vỏ máybao bọc các bộ phận bê trong Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ,phần cuối của cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ cógắn cuộn dây quấn kích từ

+ Roto: Còn gọi là phần cứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.Lõi thép

có hình trụ được ghép từ các là thép kỹ thuật điện, ghép cách điện với nhau nhờ

sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

+ Cổ góp – Chổi than: Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữaphần ứng của máy điện với thiết bị bên ngoài Khi hoạt động ở chế độ máy phátđiện cổ góp còn có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp mộtchiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài

Hình 1.6 Cấu tạo máy điện một chiều

1.4.1.3 Phân loại

Động cơ điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Động cơ điện một chiều kích từ song song

 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.4.2 Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phầnứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc nàyđộng cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

Đặc tính của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động

cơ Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu động cơ vận hành ở chế độ địnhmức và đặc tính cơ nhân tạo là khi ta thay đổi các tham số của nguồn hoặc nốithêm các điện trở, điện kháng vào động cơ

1.4.3 Chọn loại động cơ và phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, tùy thuộc vào mục đích sửdụng mà ta chọn phương án truyền động cho hệ thống Với đề tài “thiết kế hệthống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện 1 chiều -vítme” theo đề tài ta sẽ chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụngnguồn điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha từ lười điện xoay chiều

Để đảm bảo chất lượng của hệ thống ta dùng các mạch vòng điều chỉnh điện áp,dòng điện, tốc độ, vị trí của tải qua bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các thiết bị đolường

Từ yêu cầu của đề tài, ta thấy để điều chỉnh vị trí của tải trọng thì ta cầnthay đổi tốc độ của động cơ điện 1 chiều, qua phân tích phương trình đặc tính

cơ ta thấy có 3 cách để thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập đólà:

 Thay đổi điện trở mạch phần ứng

Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện

 Nhược điểm: Thay đổi tốc độ dạng nhả cấp, độ cứng giảmlàm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém; do cóđiện trở mắc vào nên tổn hao do nhiệt sinh ra rất lớn

 Thay đổi điện áp phần ứng

 Ưu điểm: đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp, cónghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất cứ vùng tải nào

 Nhược điểm: phải cần có bộ nguồn có thể thay đổi điện ápđược, cụ thể ở đây là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor nên yêucầu vốn đầu tư và chi phí vận hành cao

- Thay đổi từ thông kích từ

Có thể điều chỉnh tốc độ dạng vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn tốc độ

cơ bản ncb Do quá trình điều chỉnh tốc độ trên mạch kích từ nên tổn haonăng lượng ít, mang tính kinh tế cao

Trong đề tài này , ta chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để thay

đổi tốc độ động cơ

1.4.4 Tính chọn công suất động cơ.

Các số liệu tính toán nằm trong giáo trình “Cơ sở thiết kế máy” của

TS Nguyễn Hữu Lộc và “Chi tiết máy” của Nguyễn Trọng Hiệp

Để có cơ sở tính toán sơ bộ thiết kế bộ truyền vít-me đai ốc bi Ta

có các thông số ban đầu Fa=10kN, l=1000mm, bộ truyền được chế tạo bằng vật liệu thép 45, vận tộc lớn nhất là 0.05m/s

Trong đó Fa là lực dọc trục (N)

Đường kính ren được xác định theo điều kiện bền mòn:

Vật liệu vít thép không tôi, đai ốc bằng gang chống ma sát nên áp suất cho phép chọn [ p = 6Mpa]

Ren hình răng cưa do đó hệ số ψh = 0.75Chọn đai ốc nguyên nên ψH = 1.8

Đường kính vít theo điều kiện bền mòn d2 = √π 1,8 0,75.610000 = 20 mmTheo tiêu chuẩn TCVN 4673-2008, ứng với đường kính d2 hơi lớn hơn 20mm có thể chọn các bước ren 3,5,8mm, tùy điều kiện đảm bảo tựhãm: góc vít γ phải nhỏ hơn góc ma sát ϼ

Đối với vít được bôi dầu, lấy hệ số ma sát f=0.1 ta có:

ϼ = arctgf = 5°40’

Đối với ren có bước P = 3mm (d2 = 22.5mm), góc vít

γ = arctgπ d 2 P = arctgπ 22.53 = 2°26’

thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ

Đối với ren có bước P = 5 mm (d2 = 21.5mm), góc vít

γ = arctgπ d 2 P = arctgπ 21.55 = 4°14’

thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ

Đối với ren có bước P = 8mm (d2 = 20mm), góc vít

γ = arctgπ d 2 P = arctgπ 208 = 7°15’

không thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ

Vậy chọn ren có bước ren P=5mm và d2= 21.5mm và γ =4°14’

Số vòng ren đai ốc z = F a

π d 2.h [ p] = π 21,5 3,75 610000 =7Với h = ψh P = 0,75.5 = 3,75mm

Chiều cao đai ốc H =z.P = 7.5 = 35mm

Hệ số chiều cao ren ψH = d 2 H = 21.535 = 1.63 nằm trong giới hạn cho phép (1,5 – 2,5)

Hiệu suất bộ truyền η = Ktg(γ+ ϼ) tg γ =0,8tg 4 °14 ´ tg 9° 54 ´ = 0,339

K= 0.8 (tính đến mất mát trong công suất do ma sát trong các ổ, đường dẫn hướng bàn máy và trong bộ bánh răng côn)

Công suất tải yêu cầu Pt = T.ω =F a v

η = 10000.0,050,339 = 1474,93 ̴

1,5kWkW

Tốc độ ω max của trục vít-me ω max = 2 π v max

z P = 2.3,14 507.5 = 8,97rad/sTốc độ quy đổi về trục động cơ ω max qd = ω max.i = 8,97.10= 89,7 rad/s

= 857 vòng/phút

Dựa vào các thông số trên, ta chọn động cơ điện một chiều dài hạn kiểu Π , 220V vỏ bảo vệ, kích từ song song có điều chỉnh tốc độ có các

thông số như sau:

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 Mô hình toán học của động cơ

Ta có các phương trình mô tả động cơ điện một chiều:

 Phương trình cân bằng điện áp:

Hình 2.1 Sơ đồ mạch điện tương đương

Từ các phương trình trên chuyển chúng sang miền laplace ta có:

V (s )=K b ω ( s)+R a I a (s )+ L a s I a(s)

I a(s )= V ( s)−K b ω(s)

L a s+ R a

Jsω(s )+B l ω(s )=K b I a ( s )−T l ( s)

ω ( s )= K b I a (s )−T l(s )

Js+ B l

Hình 2.2 Mô hình hàm truyền của động cơ DC

Hàm truyền đạt của tốc độ/điện áp và tốc độ/mômen tải :

2.2 Mô hình toán học của các khâu trong hệ thống

2.2.1 Mô hình toán học của các cảm biến

2.2.1.2 Phản hồi tốc độ

Yêu cầu đối với FTMC là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiễu về giá trị và dấu

so với biến đổi đại lượng đo

Để đảm bảo các yêu cầu trên , FTMC phải có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ

Khi tính toán cần chú ý ảnh hưởng của phụ tải, nhiệt độ cuộn dây và chổi than tới độ chính xác của máy phát tộc

Sơ đồ nối FT như hình

2.2.1.3 Bộ phản hồi vị trí

Ngày nay người ta thường dùng bộ đo vị trí Resolver như hình 2.9

Resolver có rotor một pha và có 2 cuộn dây đặt lệch pha nhau 1góc 900 Điện ápcấp cho 2 cuộn stator cũng lệch nhau 900 điện.

F φ (s )= U0(s)

φ(s) =

K φ 1+s T φ

K φ 1+s T φ

Trong đó Tφ = RC hằng số thời gian bộ lọc.

Như vậy U0 tỷ lệ tuyến tính với α trong vùng φ<0 và φ>π Mạch tạo điện áp sin

và cos gồm bộ phát xung nhịp tần số cỡ vài MHz sau đó qua bộ chia xung D vàdịch pha ta được 2 tín hiệu lệch pha 900

Mạch phát tín hiện pha nhằm mở góc rộng góc đo φ được thể hiện ở hình 2.9.xung A và B được đưa qua 2 mạch lật D sau đó đưa vào mạch Exclusive OR

2.2.2 Mô hình toán học của bộ biến đổi

Hình 2.3 sơ đồ chỉnh lưu nguồn 3 pha có điều khiển

 Điện áp ra của chỉnh lưu có điều khiển:

Trong đó : Vc là điện áp điều khiển

Vcm là giá trị cực đại của điện áp điều khiển

Trong đó V là trị hiệu dụng điện áp dây của điện áp nguồn 3 pha

 Bộ chỉnh lưu có thời gian trễ

Hình 2.4 Biểu đồ của chỉnh lưu nguồn 3 pha có điều khiển

Do đó bộ biến đổi được mô hình hóa bằng hàm trễ:G r ( s)= K r

T r s +1

2.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

Hình 2.5 Mô hình tổng hợp của hệ thống

Thay thế mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập vào ta có:

Hình 2.6 Hàm truyền hệ thống - Động cơ DC và tải

Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và cho bởi công thức:

T l=B l ω m

Biến đổi sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt của động cơ:

 Bước 1:

 Bước 2:

 Bước 3:

 Bước 4:

Trong đó : J là Mômen quán tính của động cơ

B1 là hệ số ma sát của động cơ

BL là hệ số ma sát của tải

Bt = B1 + BL là hệ số ma sát của động cơ và tải

T m= J

B t là hằng số thời gian cơ của động cơ

Ta có các hàm truyền đạt như sau:

Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống:

Hình 2.7 Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 Sơ đồ mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động

3.1.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thìmạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản

Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ truyền độngmột chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo củađộng cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

3.1.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo phương pháp tối ưu

Module

Chọn bộ điều khiển dòng điện PI:

Biến đổi sơ đồ khối:

Sau khi biến đổi sơ đồ khối, ta có hàm khuếch đại (loop gain function) của mạch vòng dòng điện như sau:

Nếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là : T c=T2

Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

Áp dụng tiêu chuẩn TỐI ƯU MODULE ta có:

1 (1+ s T

Iư

Hc

3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng

Chọn bộ điều khiển tốc độ là PI:

Mạch vòng tốc độ sau khi đã sử dụng bậc nhất của mạch vòng dòng điện đượcbiểu diễn như trên hình vẽ Trong đó hàm số khuếch đại (loop gain function)của hệ là: