Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dung cơ cấu động cơ điện một chiều sử dụng sử dụng trục vít me theo phương pháp tối ưu

Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dung cơ cấu động cơ điện một chiều sử dụng sử dụng trục vít me theo phương pháp tối ưu

moomen, tốc độ và vị trí đóng một vai trò quan trọng và cần thiết: Robot, xe điện, thang máy,…

Một cách tổng quan, điều khiển truyền động điện nhằm mục đích:Làm phù hợp vị trí hoặc tốc độ của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mongmuốn) Làm phù hợp mô-men của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn) Tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạtđộng.

Với mục đích nghiên cứu hệ thống truyền động một cách chính xác vị trí với tốc mong muốn của của động cơ điện một chiều Nên đề tài của nhóm chúng là “Thiết

kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dung cơ cấu động cơ điện một chiều

sử dụng sử dụng trục vít me theo phương pháp tối ưu”

Qua những lần sơ duyệt và góp ý của thầy Giáp Quang Huy, em cũng đã rút kinh nghiệm và sửa chữa Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên cũng không tránh khỏi nhiều thiếu sót,rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của thầy

và các bạn Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Giáp Quang Huy đã nhiệt tình chỉ bảo và dìu dắt trong suốt thời gian làm đồ án vừa qua và chúng em cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ và góp ý cho em trong quá trình thực hiện đề tài.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG 1.1 Giới thiệu công nghệ bài toán

Hình 1.1 Hệ thống truyền động điện

Hệ thống truyền động điện ở đây là hệ thống gồm 1 động cơ điện chiều gắn với hộp số có

tỉ số truyền là 10/1 để điều khiển tải có khối lượng 50kg đúng vị cần mong muốn được cấp bởi nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V với tốc độ lớn nhất là 0,5m/s và hệ số

ma sát là 0.1

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

1.2.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Dựa vào đồ thị mong muốn của tải, ta thấy rằng tốc độ của tải thay đổi trong các khoảng thời gian như bảng sau:

Khoảng thời gian Sự thay đổi vận tốc Yêu cầu

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

• Nguồn điện sử dụng : 220/380V, do đó cần sử dụng bộ biến đổi phù hợp

• Hệ thống hoạt động ổn định, bám càng sát với đồ thị tốc độ mong muốn thìcàng tốt

• Sai số nằm trong khoảng cho phép

• Điều khiển động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay

1.2.2 Đặc tính cơ của tải

Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản củamáy sản xuất: Mc = f(ω) hay Mc = f(n)

Ta có các trường hợp số mũ α ứng với các tải:

• Khi α = -1: mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện,doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làmviệc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn

• Khi α = 1: mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát,máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở

• Khi α = 2: mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm,quạy gió, máy nén

Ở hệ thống này, momen cản là loại cơ cấu ma sát có α = 1

Hình 1.3 Đồ thị đặc tính cơ của tải

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

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển vị trí

Biến điều khiển của các vòng điều khiển bên trong ( mô-men, tốc độ ) có thể đượcgiới hạn bởi giá trị đặt của nó ( được điều chỉnh bởi vòng điều khiển bên ngoài )

1.4 Tính chọn công suất động cơ

1.4.1 Chọn phương án truyền động

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tínhchọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thỏa mãnyêu cầu đặt ra Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệtruyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vàiphương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế

Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyềnđộng một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặctính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (có chổi than) là:

• Điều chỉnh điện áp phần ứng

• Điều chỉnh từ thông kích từ

• Kết hợp điều chỉnh từ thông kích từ và điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng hầu như không được sửdụng trong các hệ có yêu cầu chất lượng cao do tổn hao công suất

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có đáp ứng được đặc trưng bằng hằng sốthời gian có giá trị nhỏ

Ngược lại, hằng số thời gian đặc trưng cho đáp ứng của phương pháp điều chỉnh từthông kích từ có giá trị lớn hơn gấp 10-100 lần so với phương pháp điều chỉnh điện

áp phần ứng

Hằng số thời gian lớn làm cho phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ có đáp ứngchậm

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp cho việc điều chỉnh tốc độđộng cơ dưới tốc độ định mức Còn phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ phùhợp để điều chỉnh trên tốc độ định mức.

Các phương pháp điều chỉnh truyền động hiện đại: bộ điều khiển được tự độngđiều chỉnh trong quá trình hoạt động dựa trên các tham số(dã được nhận dạng) củađộng cơ và của các thành phần khác trong hệ

Phương pháp điều chỉnh nối tầng thường được sử dụng phổ biến với đặc điểm:

• Mạch vòng dòng điện/momen đáp ứng nhanh

• Mạch vòng tốc độ đáp ứng chậm hơn

• Mạch vòng vị trị đáp ứng chậm nhất, hoặc không cần thiết

Ở đây ta chọn phương án truyền động cho động cơ một chiều kích từ độc lập, cóđảo chiều và hoạt động ở 2 góc phần tư, điều khiển đảo chiều bằng cách thay đổiđiện áp phần ứng

1.4.2 Yêu cầu của việc tính chọn động cơ

Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện Các yêu cầu

kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyềnđộng điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương phápđiều khiển động cơ

Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêuchuẩn phải đáp ứng:

• Động cơ phải có đủ công suất kéo

• Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phươngpháp điều chỉnh thích hợp

• Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện

• Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dòng điện, cấp điện áp )

• Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm,khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà )

nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ củalưới điện do động cơ chạy non tải Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơncông suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng

nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặclàm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng

Để tính chọn công suất động cơ trong hệ thống có điều chỉnh tốc độ cần phải biếtnhững yêu cầu cơ bản sau:

• Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) và đồ thị phụ tải: Pc(t), Mc(t),ω(t)

• Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ωmax và ωmin

• Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn

• Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cầnphải định hướng xác định trước

1.4.3 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.4.3.a Khái niệm

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

1.4.3.b 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 vỏmáy bao bọc các bộ phận bê trong Phía mặt trong của stato được gắn các

• Lõi thép có hình trụ được ghép từcác là thép kỹ thuật điện, ghép cách điệnvới nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Chungquanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dâyphần ứng Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc Ngoài ra trên lõithép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ và lõi thépphần ứng tạo thành mạch từ của máy điện một chiều Dây quấn được tạothành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòng dây đượcxếp trong các rãnh của lõi thép Hai đầu phần tử nối với 2 phiến góp, 2 cạnhtác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới cực khác tên.Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắpmáy giữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lôngxuyên.

Hình 1.5 Lá thép Rotor

• Cổ góp – Chổi than: Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện Giữa phầnứng 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 ápmột chiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài

Hình 1.6 Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn,sau đó gắn vào trục rotor, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cáchđiện với trục bằng lớp mica mỏng Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầudây của phần tử dây quấn phần ứng

Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hìnhhộp Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắtchặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo

ép chặt.Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góptạo thành mạch điện khép kín Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dâyquấn phần ứng thành các mạch nhánh song song

Hình 1.7 Cấu tạo máy điện một chiều

1.4.4 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 phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ đượcgọi là động cơ kích từ độc lập.

Hình 1.8 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Phương trình đặc tính cơ: Trong đó:

: điện áp phần ứng

: điện trở mạch phần ứng

: điện trở phụ trong mạch phần ứng

M đt : Mô men điện từ

Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.4.5 Tính momen qui đổi về đầu trục động cơ

Ta có các thông số ban đầu:

Yêu cầu về tốc độ:

Tính số vòng quay của động cơ:

=>Tốc độ góc của rotor là : (rad/s)

Tải M= 50kg chịu tác động của 4 lực: trọng lực P, phản lực N, lực bên ngoài khiến

nó di chuyển với tốc độ v= , lực cản Trong đó P và N triệt tiêu nhau Tổng hợp lựclàm M chuyển động là:

Chọn chiều (+) cùng chiều vector vận tốc (trái sang phải)

Để tăng tốc độ của tải, cần phải có một lực kéo của tải yêu cầu là:

Lúc này, lực kéo của tải yêu cầu là:

Tính mômen quay của tải :

Mômen quay của tải do lực F gây ra ứng với từng giai đoạn :

Tăng tốc := =

Ổn định : = =

Giảm tốc := =

Mômen quay của tải quy đổi về trục động cơ ứng với từng giai đoạn như sau :Tăng tốc : = =

Hình 1.13 Đồ thị momen đầu trục động cơ theo thời gian

Quy đổi sang công suất động cơ với từng giai đoạn :

Ta có: P = TL

Trong đó:

• P là công suất động cơ

• TL là momen quay của tải qui đổi về trục động cơ

• là tốc độ quay của roto

4s-5s (100/3-(100/3)t 0,12.[(100/3- (100/3t]= 12,6– 12,6Δt

Bảng 1.3 Biểu đồ phụ tải sơ bộ

Hình 1.14 Đồ thị công suất theo thời gian

Dự đoán công suất theo công suất đẳng trị:

Chọn hệ số dự trữ k=1,2÷1,5 = 1,5

Ta có: P=Pđt.k=64.1,5=96W

Dự đoán momen theo momen đẳng trị:

Chọn hệ số dự trữ k=1,2÷1,5 = 1,5

Tên thông số Giá trị Đơn vị đo

Hình 1.15 Sơ đồ chỉnh lưu cầu thyristor 3 pha có đảo chiều

+ Tính toán các thông số trong mạch chỉnh lưu:

Nguồn ta sử dụng ở đây là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V nên điện áp đầuvào của bộ chỉnh lưu là U2 =220V

Đế góc điều khiển α từ 0 - 2

π

ta sử dụng một biến áp để hạ điện áp đầu vảo của bộ chỉnh lưu

xuống giá trị U’ 2 =

38 , 15 6 3

2

U U

=

38 , 15 220

=14,3

Giá trị trung bình trong bộ chỉnh lưu: U d = π

6 3 U’ 2 cosα

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên thyristor : U nmax = K nv Ku

Ud

= 3

π 36= 37,68 V

Trong đó K nv =

6 , K u = π

6 3

Chọn hệ số dự trữ K dt = 1,8 ta có điện áp ngược van cần chọn

= 4,08 A Chọn hệ số dự trữ K = 3,2 ta có I = 4,08 3,2= 13,056 A

Dòng điện làm việc cực đại Iđmmax = 15 A

Dòng điện đỉnh cực đại Ipicmax = 150A

Sụt áp trên thyristor ở trạng thái dẫn ΔUmax = 1.6 V

Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) tcm= 35

Nhiệt độ làm việc cực đại tmax = 110C

Hình 1.16 Cảm biến tốc độ ENC 16 của Maxon

Thông số của cảm biến

Ta chọn cảm biến ACS712- 20A có các thông số sau :

-Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

-Thời gian thay đổi điện áp đầu ra ứng với dòng điện đầu vào là 5μs

-Điện trở dây dẫn trong là 1,2 mΩ

-Điện áp hoạt động là 5V

-Sai số điện áp đầu ra là 1,5% ở 25 ºC

-Độ nhạy đầu ra từ 66 đến 185 mV/A

-Khoảng đo từ -20 đến 20 A

Hình 1.10Cảm biến ACS712-20A

1.5.2 Gearbox

Sử dụng Gearbox E50-10-22của công ty Ondrives, US có các thông số sau:

Part number: E50-10-22

Bảng 1.8 Thông số hộp số

Vậy các tham số của hệ thống bao gồm :

- Nguồn: Sử dụng nguồn 220/380VAC lấy từ lưới điện.

Cảm biến dòng điện chọn ACS712 20A.

Cảm biến tốc độ chọnEncoderENC 16 EASY của Maxon.

2.1.1 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều

Phương trình cân bằng điện áp :

 – hệ số kết cấu của máy

 P – Số đôi cực từ của động cơ

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc cơ khí khi từ thông không đổi

Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và

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

Trong đó, các hàm truyền đạt và hệ số như sau:

K (s)

t

B K

K R B

= +

= = 0,3

2.2 Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống

2.2.1 Mô hình toán học khâu biến đổi

2.2.1.a Mô hình toán học khâu chỉnh lưu có điều khiển

Để có thể đảo chiều cho động cơ, sử dụng hai mạch chỉnh lưu cầu có điềukhiển đấu song song ngược, điều khiển theo phương pháp điều khiển chung Sơ đồ

bộ biến đổi như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển

Hình 2.4 Chỉnh lưu đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi (đấu song song ngược)

Điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Vdc =.U2.cosα , suy ra cosαmax=0.2

Trong đó: U- điện áp hiệu dụng của nguồn α- góc kích mở Thyristor

Với Vc là điện áp điều khiển, chọn Vcmax=5V

Suy ra: Vcmmax=24V

Vdc = U2

Vdc = .Vc

Vdc = Kr.Vc với Kr = =21,4(V)

Uđb = Vcm.cosα=> tại điểm giao nhau điện áp điều khiển Vc = Uđb = Vcm.cosα

Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kì lấy mẫu của mạch điều khiển Khoảng thờigian lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi

Khi thay đổi điện áp điều khiển, hoặc khi các thyristor thay đổi trạng tháiđóng mở, thì điện áp ra chưa thay đổi ngay lập tức

Góc trễ có thể được hiệu chỉnh và sẵn sàng để thực thi trong khoảng 60o giữa

2 khoảng góc mở của 2 thyristor

Vì vậy thời gian trễ có thể được lấy bằng một nửa khoảng trễ này:

Hình 2.6 Mô hình toán chỉnh lưu hình cầu ba pha

2.2.2 Mô hình toán học cảm biến dòng điện và tốc độ.

2.2.2.a.Hàm truyền cảm biến dòng điện.

Mô hình hóa của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại

Hc = 1 Trong đa số trường hợp thường không yêu cầu bộ lọc

Trong trường hợp dùng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp được sử dụng Hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms

Ở đây ta dùng cảm biến dòng điện ACS712 20A

2.2.2.b Hàm truyền cảm biến tốc độ.

• Hàm truyền:

Trong đó =là hệ số khuếch đại của cảm biến

là hằng số thời gian của bộ lọc

Thay các thông số của cảm biến đã chọn, ta có :

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN3.1 Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện

Mạch vòng điều khiển tốc độ [Speed ]

Mạch vòng điều khiển vị trí [Position Ꝋ]

Mạch vòng điều khiển momen( dòng điện) [Torque(Current)]