Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống logistics và vận tải hàng hải hiện đại, cẩu trục bánh lốp RTG (Rubber Tyred Gantry crane) giữ vai trò chủ chốt tại các bãi container cảng biển nhờ tính cơ động cao, khả năng xếp dỡ đa tầng và di chuyển linh hoạt trên mặt bến mà không bị giới hạn bởi hệ thống ray cố định. Tuy nhiên, trong quá trình bốc dỡ và dịch chuyển container, hiện tượng dao động và rung lắc của tải trọng treo dưới dây cáp là vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng. Dao động này phát sinh từ lực quán tính khi khởi động, tăng tốc hoặc hãm dừng cụm xe con (trolley) và xe lớn, đồng thời chịu tác động từ điều kiện ngoại cảnh như gió bão, tải trọng phân bố không đều hoặc thao tác điều khiển của công nhân vận hành. Nếu không được triệt tiêu kịp thời, góc lắc làm suy giảm độ chính xác khi định vị container, gia tăng chu kỳ bốc dỡ, gây mài mòn kết cấu cơ khí và tiềm ẩn rủi ro va chạm mất an toàn lao động.
Tại các cảng biển lớn của Việt Nam, điển hình như cảng Cát Lái, việc làm chủ giải pháp công nghệ điều khiển chống rung lắc tự động vẫn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế điều khiển chống lắc cho cẩu khung bánh lốp cảng Cát Lái" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Phân tích tổng quan cấu tạo, công nghệ vận hành của cẩu khung RTG và khảo sát các thông số kỹ thuật thực tế của cẩu khung bánh lốp tại cảng Cát Lái.
- Tính toán phụ tải tĩnh và động, lựa chọn công suất động cơ truyền động nâng - hạ cùng bộ biến tần chuyên dụng tương thích với chu kỳ làm việc của cảng.
- Thiết lập mô hình toán học động lực học không gian 3 chiều (3D) cho cẩu treo và thiết kế thuật toán điều khiển PD nhằm giảm thiểu góc lắc của tải trọng.
- Mô phỏng, kiểm chứng chất lượng làm việc của hệ thống điều khiển bám vị trí và triệt tiêu góc dao động trên môi trường Matlab/Simulink.
- Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC, hệ thống truyền động AC Servo và giao diện giám sát HMI.
Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là cơ cấu nâng - hạ và hệ thống điều khiển góc lắc tải trọng của cẩu khung bánh lốp RTG. Phạm vi nghiên cứu lấy số liệu thực tế tại cảng Cát Lái làm căn cứ thiết kế công nghiệp, kết hợp mô hình hóa lý thuyết với chiều dài dây cáp không đổi trong không gian 3 chiều, và triển khai kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình cơ điện tử thu nhỏ trong phòng thí nghiệm vào năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cơ học giải tích Euler-Lagrange để xây dựng phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ cẩu treo 3 chiều. Hệ thống cẩu RTG mang bản chất là một hệ phi tuyến nhiều biến vào - nhiều biến ra (MIMO) thiếu cơ cấu chấp hành (underactuated system), với 2 tín hiệu lực điều khiển ở đầu vào tác động lên xe con ($F_x, F_y$) nhưng có đến 4 bậc tự do ở đầu ra ($x, y, \theta_x, \theta_y$). Hàm Lagrange được thiết lập dựa trên hiệu số giữa tổng động năng của các thành phần chuyển động (xà đỡ, xe con, tải trọng) và thế năng của tải trọng:
$$L = E - V$$
Phương trình vi phân tổng quát của hệ thống có dạng:
$$M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + g(q) = U$$
Trong đó $M(q)$ là ma trận khối lượng/quán tính đối xứng, $C(q, \dot{q})$ là ma trận thành phần Coriolis và lực ly tâm, $g(q)$ là vector trọng trường, $q$ là vector tọa độ suy rộng và $U$ là vector lực điều khiển ngoại lực.
Về mặt truyền động điện, tác giả dựa trên lý thuyết phụ tải thế năng hoạt động trong 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ tốc độ - mô-men ($\omega - M$). Động cơ không đồng bộ ba pha rô-to lồng sóc (Induction Motor - IM) được phân tích qua sơ đồ thay thế tương đương và các biểu thức vector không gian dòng điện stato ($i_{sd}, i_{sq}$). Quá trình kiểm nghiệm nhiệt và kiểm nghiệm quá tải động cơ tuân thủ phương pháp mô-men đẳng trị và điều kiện dòng điện tác dụng trong chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai đồng bộ qua 4 bước:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, khảo sát tài liệu công nghệ từ các nhà sản xuất thiết bị nâng hạ (như KoneCranes) và số liệu vận hành cẩu RTG tại cảng Cát Lái.
- Phương pháp tính toán giải tích: Tính chọn công suất danh định, dòng điện, mô-men và tham số điện áp của hệ truyền động nâng hạ theo biểu đồ phụ tải.
- Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống động lực học phi tuyến và đánh giá bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (PD).
- Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Chế tạo bàn mô hình vật lý, lập trình thuật toán điều khiển theo lưu đồ Grafcet trên PLC và ghép nối mạng truyền thông công nghiệp.
Dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán được trích xuất từ catalog kỹ thuật cẩu RTG cảng Cát Lái, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật biến tần ABB (dòng ACS880) và thông số phần cứng thiết bị công nghiệp của các hãng Xinje, Omron, Schneider và Weintek.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống điều khiển chống rung lắc và truyền động được thiết kế trên cả hai phương diện: cấu hình truyền động công nghiệp cho thiết bị thực tế và mô hình cơ điện tử thực nghiệm phục vụ kiểm chứng thuật toán.
Cấu hình hệ truyền động nâng - hạ công nghiệp
Dựa trên tính toán phụ tải cơ cấu nâng hạ container trọng tải đến 34 tấn, hệ truyền động công nghiệp được xác lập với cấu hình gồm:
- Động cơ nâng hạ: Động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 160 kW, điện áp định mức 400 V, dòng điện định mức 293 A, tốc độ 992 vòng/phút, tần số 50 Hz, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$.
- Biến tần điều khiển: Biến tần ABB ACS880-01-363A-3, công suất định mức 200 kW, dòng điện định mức 363 A (dòng cực đại 498 A), cấp điện áp 400 V, cấu hình làm việc cho chế độ tải nặng (heavy-duty), sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM và chỉnh lưu IGBT tích hợp điện trở hãm tái sinh.
Thiết kế phần cứng mô hình thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm được chế tạo nhằm mô phỏng chuyển động của cụm xe lớn (trục Y), xe con di chuyển ngang (trục X) và cơ cấu tời nâng hạ dây cáp (trục Z). Hệ thống khung cơ khí dẫn hướng được điều khiển bởi tủ điện trung tâm với danh mục linh kiện chính sau:
| Thiết bị |
Chủng loại / Mã hiệu |
Thông số kỹ thuật chính |
Số lượng / Chức năng |
| Bộ điều khiển lập trình (PLC) |
Xinje XDH-60T4-E |
36 ngõ vào / 24 ngõ ra Transistor, nguồn cấp 220 VAC |
01 bộ, xử lý logic và phát xung điều khiển |
| Động cơ chấp hành |
AC Servo Xinje MS6H-60CS30B1-20P4 |
Động cơ servo xoay chiều công suất 400 W |
03 bộ (cho trục X, trục Y và cơ cấu nâng - hạ) |
| Bộ điều khiển động cơ Servo |
Servo Driver Xinje DS5C1-20P4-PTA |
Công suất 400 W, điện áp cấp nguồn 220 VAC |
03 bộ, tiếp nhận lệnh xung từ PLC |
| Màn hình giao diện vận hành |
HMI Weintek MT8071iE |
Màn hình màu cảm ứng 7 inch, hỗ trợ cổng Ethernet/COM |
01 chiếc, cài đặt tham số và giám sát trạng thái |
| Cảm biến vị trí |
Cảm biến quang Omron EE-SX672 |
Dạng rãnh thu phát hồng ngoại, điện áp 5 - 24 VDC |
Xác định tọa độ giới hạn hành trình các trục |
| Nguồn cấp một chiều |
Omron S8VE |
Nguồn tổ ong chuyển đổi 220 VAC sang 24 VDC - 10 A (240 W) |
01 bộ, cấp nguồn cho mạch điều khiển và cảm biến |
| Thiết bị bảo vệ |
MCB Schneider EZ9F34216 |
Aptomat bảo vệ quá tải và ngắn mạch định mức 16 A |
01 chiếc, bảo vệ nguồn tổng tủ điện |
| Thiết bị chia mạng |
Mercusys MS105G |
Switch mạng 5 cổng tốc độ Gigabit |
01 chiếc, kết nối truyền thông Ethernet PLC - HMI |
Quy trình vận hành phần cứng được thiết kế theo cấu trúc điều khiển tuần tự Grafcet. Tín hiệu định vị từ các cảm biến quang Omron gửi về đầu vào PLC Xinje để xác định vị trí biên hành trình. Tủ điện trung tâm kết nối với máy tính thông qua cáp mạng nhằm nạp lệnh, đồng thời dữ liệu hoạt động được hiển thị trực tiếp trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về các loại cẩu khung sử dụng trong cảng
Chương 1 trình bày chi tiết về cấu tạo tổng thể, nguyên lý vận hành và các tính năng tự động hóa trên cẩu trục bánh lốp RTG. Các phân hệ cấu thành gồm: xe tời (trolley) tích hợp công nghệ kiểm soát tải chủ động (ALC), công nghệ nâng hạ do KoneCranes thiết kế, cơ cấu di chuyển bánh lốp cao su có khả năng khóa lái thẳng hoặc mở khóa quay 360 độ, kết cấu thép chịu lực, khung chụp container (spreader), cabin vận hành kết nối trạm điều hành từ xa (ROS) và hệ thống giám sát chẩn đoán từ xa Truconnect.
Chương này cũng phân loại, so sánh ưu nhược điểm giữa các loại cẩu cảng: cẩu giàn di chuyển trên ray, cẩu trục tự hành, cẩu trục chân đế, cần cẩu xe tải và cẩu khung bánh lốp RTG. Trên cơ sở đó, tác giả đưa ra bảng thông số vận hành thực tế của cẩu khung bánh lốp tại cảng Cát Lái làm chuẩn tính toán:
| Thông số thiết kế cẩu RTG cảng Cát Lái |
Giá trị thực tế |
Đơn vị |
| Công suất động cơ cơ cấu nâng - hạ |
170 |
kW |
| Điện áp định mức / Tần số lưới điện |
440 / 60 |
VAC / Hz |
| Tốc độ định mức động cơ |
1470 |
vòng/phút |
| Tải trọng làm việc an toàn của Container |
5 – 34 |
tấn |
| Kích thước container tiêu chuẩn |
12 x 2,4 x 2,6 |
m |
| Chiều cao nâng tĩnh từ mặt đất đến hàn vị |
18 |
m |
| Tốc độ nâng/hạ khi không có tải |
52 |
m/phút |
| Tốc độ nâng/hạ khi đầy tải |
26 |
m/phút |
Mục tiêu điều khiển của cẩu trục được định hình dựa trên việc điều khiển vị trí của hệ giàn và dập tắt góc lắc của tải trọng theo phương $\theta_x$ về 0 khi tải đến vị trí mục tiêu.
Chương 2: Tính toán lựa chọn động cơ truyền động nâng - hạ
Chương 2 tập trung tính toán kỹ thuật chọn công suất động cơ và biến tần cho cơ cấu nâng - hạ (trục Z). Cơ cấu có sơ đồ động học gồm động cơ truyền động qua hộp giảm tốc tỉ số truyền $i = 24$, tang nâng bán kính $R_t = 0,2$ m, hệ thống pa-lăng cáp bội số $u = 2$. Trọng lượng tải $G = 5.000 - 34.000$ kg, trọng lượng bộ lấy tải $G_0 = 50$ kg, vận tốc nâng hạ có tải $v = 0,43$ m/s, vận tốc không tải $v_0 = 0,86$ m/s, hiệu suất cơ cấu khi có tải $\eta_c = 0,9$ và khi không tải $\eta_{co} = 0,21$.
Biểu đồ phụ tải tĩnh được chia thành 4 giai đoạn làm việc: nâng không tải, nâng có tải, hạ có tải và hạ không tải. Phân tích trạng thái chỉ ra rằng: khi hạ đầy tải, hệ thống làm việc ở góc phần tư thứ IV (chế độ hãm tái sinh do mô-men thế năng lớn hơn tổn thất cơ khí); khi hạ không tải, hệ thống làm việc ở chế độ hạ động lực ($M_{h0} < 0$). Với chiều cao nâng $h = 18$ m, thời gian nâng/hạ tải tính được là $T_{nht} = 41,86$ s, thời gian nâng/hạ không tải là $T_{nhkt} = 20,93$ s, dẫn đến tổng thời gian làm việc trong một chu kỳ là $T_{tlv} = 125,58$ s. Chọn chu kỳ làm việc tiêu chuẩn $D = 40%$, tổng thời gian nghỉ là $T_{tnghi} = 190$ s, chu kỳ toàn phần $T_{ck} = 315,58$ s (chọn quy chuẩn $T_{ck} = 350$ s), tương ứng với hệ số tiếp điện tương đối quy đổi $TD% = 25%$.
Công suất tính toán yêu cầu là $P_{dm} = 159,59$ kW. Tác giả chọn động cơ không đồng bộ 3 pha 160 kW, kiểm nghiệm phát nóng theo mô-men đẳng trị đạt $M_{dt} = 683,4\ \text{Nm} < M_{dm} = 1570\ \text{Nm}$, kiểm nghiệm quá tải mô-men cản cực đại $M_{cmax} = 1546,43\ \text{Nm} < M_{dm}$ và mô-men mở máy $M_{kđ} = 3140\ \text{Nm} > M_{cmax}$. Các tham số sơ đồ thay thế động cơ được xác định cụ thể: điện trở stato $R_s = 0,0064\ \Omega$, điện trở rô-to $R_r = 0,0064\ \Omega$, điện cảm tản rô-to/stato 0,2 mH, hỗ cảm từ hóa 6 mH. Biến tần được lựa chọn theo điều kiện công suất $P_{bt} \ge 1,25 \times P_{dc} = 200$ kW, chọn dòng biến tần ABB ACS880-01-363A-3.
Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế điều khiển góc lắc cẩu khung bánh lốp
Chương 3 thiết lập mô hình toán học động lực học 3D cho cẩu treo trên giả thiết: bỏ qua khối lượng dây cáp, chiều dài dây treo $l$ là không đổi, các thành phần khối lượng xe con ($m_c$), xà đỡ ($m_r$) và tải trọng ($m$) được coi là chất điểm và đã biết trước. Vector vị trí không gian của các thành phần được biểu diễn trong hệ tọa độ Descartes:
$$\begin{aligned}
x_m &= x + l\sin\theta_x\cos\theta_y \
y_m &= y + l\sin\theta_x\sin\theta_y \
z_m &= -l\cos\theta_x
\end{aligned}$$
Động năng của toàn hệ thống được tổng hợp từ động năng xà đỡ $E_r$, động năng xe con $E_c$ và động năng của tải trọng $E_m$. Thế năng của tải trọng được xác định bởi $V = -mgl\cos\theta_x$. Bằng cách áp dụng phương trình vi phân Lagrange loại 2:
$$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{q}}\right) - \frac{\partial L}{\partial q} = U$$
với vector biến khớp $q = [x, y, \theta_x, \theta_y]^T$ và vector tín hiệu điều khiển $U = [F_x, F_y, 0, 0]^T$, chương này đã thiết lập đầy đủ các ma trận động lực học $M(q)$, ma trận lực Coriolis $C(q, \dot{q})$ và vector trọng trường $g(q)$. Trên cơ sở đó, cấu trúc bộ điều khiển PD được thiết kế nhằm tính toán lực đẩy $F_x, F_y$ tác động vào cụm xe con, vừa kéo xe con bám theo vị trí đặt, vừa tạo gia tốc ngược để dập tắt các thành phần dao động góc $\theta_x, \theta_y$.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả trên phần mềm Matlab/Simulink
Chương 4 hiện thực hóa mô hình toán học và bộ điều khiển đã thiết kế lên phần mềm Matlab/Simulink. Cấu trúc mô phỏng bao gồm:
- Khối phát tín hiệu đặt vị trí mong muốn cho xe con trên các trục Ox và Oy.
- Khối thuật toán điều khiển PD tính toán tín hiệu lực tác động.
- Khối mô hình động lực học phi tuyến của cẩu trục tích hợp hệ phương trình Euler-Lagrange.
- Các khối hiển thị dữ liệu đo kiểm Scope phản ánh đáp ứng vị trí trục X, vị trí trục Y, vận tốc chuyển động và góc lắc tải trọng theo phương Z.
Kết quả mô phỏng đồ thị cho thấy hệ thống điều khiển PD giúp cụm xe con di chuyển đến đúng vị trí tọa độ đặt mà không bị vọt lố quá mức; đồng thời biên độ dao động góc lắc của tải trọng nhanh chóng bị dập tắt về 0 sau khoảng thời gian ngắn, bảo đảm ổn định trạng thái của tải trọng container khi xe dừng hẳn.
Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm
Chương 5 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình cơ điện tử thực tế trong phòng thí nghiệm. Tác giả trình bày phương án kết cấu cơ khí dẫn hướng, thiết kế sơ đồ bố trí tủ điện và sơ đồ đấu nối dây cho các thiết bị điều khiển. Tủ điện bao gồm bộ điều khiển lập trình PLC Xinje XDH-60T4-E đóng vai trò trung tâm, phối hợp cùng 3 bộ Servo Driver Xinje DS5C1-20P4-PTA điều khiển các động cơ AC Servo MS6H kéo tải các trục X, Y và tời Z; hệ thống cảm biến quang Omron EE-SX672 làm giới hạn vị trí; bộ nguồn 24 VDC Omron S8VE; thiết bị bảo vệ Schneider và bộ chia mạng Mercusys.
Thuật toán điều khiển hệ thống được mô tả qua lưu đồ Grafcet phân định rõ từng bước vận hành tự động và chế độ bảo vệ. Giao diện người - máy trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE (7 inch) cho phép người vận hành trực tiếp điều khiển bằng tay, chạy tự động và theo dõi thông số vị trí. Ngoài ra, chương này cũng đề cập việc ứng dụng môi trường Matlab/Simulink và vi điều khiển bổ trợ kết nối cùng hệ thống để phục vụ thử nghiệm các giải pháp điều khiển nâng cao.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:
- Tính toán đồng bộ hệ truyền động nâng - hạ: Đã tính toán toàn diện chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của cẩu RTG cảng Cát Lái ($D = 40%$, $TD% = 25%$, chu kỳ 350 s), qua đó lựa chọn chính xác động cơ không đồng bộ ba pha 160 kW và biến tần tải nặng ABB ACS880-01-363A-3 (200 kW), vượt qua các khâu kiểm nghiệm nhiệt phát nóng và khả năng chịu quá tải mô-men ($M_{dt} = 683,4\ \text{Nm} < 1570\ \text{Nm}$; $M_{kđ} = 3140\ \text{Nm} > 1546,43\ \text{Nm}$).
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học cẩu treo 3D: Thiết lập thành công hệ phương trình động lực học phi tuyến MIMO thiếu cơ cấu chấp hành bằng phương pháp Euler-Lagrange, biểu diễn rõ ràng mối quan hệ giữa chuyển động của xe con và các góc lắc $\theta_x, \theta_y$ của container.
- Mô phỏng kiểm chứng thuật toán PD: Chứng minh được tính khả thi của cấu trúc điều khiển PD trên Matlab/Simulink trong việc đưa xe con đến vị trí mong muốn và dập tắt góc lắc của tải trọng về giá trị 0.
- Chế tạo mô hình thực nghiệm cơ điện tử hoàn chỉnh: Lắp ráp thành công bàn thực nghiệm 3 trục tích hợp tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Xinje XDH-60T4-E, 3 bộ AC Servo 400 W, HMI Weintek 7 inch, cảm biến quang Omron và switch mạng), vận hành ổn định theo lưu đồ thuật toán Grafcet.
So với các nghiên cứu lý thuyết đơn thuần, đồ án này tự nêu đóng góp nổi bật ở việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán thiết kế truyền động công nghiệp quy mô lớn (dựa trên số liệu cảng Cát Lái) với việc chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng thực tế dùng thiết bị tự động hóa công nghiệp phổ biến, tạo tiền đề thuận lợi cho việc kiểm chứng các giải pháp điều khiển.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ vào nội dung được trình bày trong đồ án, nghiên cứu tồn tại một số giả thiết hạn chế và hướng mở kỹ thuật:
- Hạn chế:
- Mô hình toán học động lực học 3D giả định chiều dài dây cáp treo là hằng số không đổi ($l = \text{const}$) trong suốt quá trình xe dịch chuyển và bỏ qua khối lượng của dây cáp.
- Các thành phần xà đỡ, xe con và container được xem là các chất điểm lý tưởng; điểm trọng tâm của xe con được giả thiết trùng với trọng tâm của xà đỡ.
- Cấu trúc điều khiển mô phỏng mới dừng lại ở bộ điều khiển PD tuyến tính kinh điển, chưa xét đến ảnh hưởng của nhiễu gió ngẫu nhiên và sự thay đổi thông số tải trọng trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt tại cảng biển.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng mô hình toán học động lực học trong trường hợp chiều dài dây cáp thay đổi liên tục ($l(t)$ thay đổi đồng thời với quá trình nâng/hạ và dịch chuyển xe).
- Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại, phi tuyến hoặc điều khiển thông minh thích nghi (SMC, MPC, mờ - nơ-ron) nhằm nâng cao khả năng kháng nhiễu gió và bù trễ cơ khí.
- Tích hợp thêm cảm biến đo góc lắc thực tế (cảm biến con lắc gia tốc hoặc hệ thống thị giác máy camera công nghiệp) lên mô hình thực nghiệm để truyền phản hồi góc lắc trực tiếp về PLC trong thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, Thiết bị điện tử - Cơ điện tử và Kỹ thuật máy cảng:
- Phần tính toán truyền động điện (Chương 2): Cung cấp tài liệu quy chuẩn về phương pháp tính toán phụ tải thế năng 4 góc phần tư, xác định chu kỳ làm việc, hệ số tiếp điện tương đối $TD%$, tính chọn công suất động cơ không đồng bộ, kiểm nghiệm mô-men đẳng trị và lựa chọn cấu hình biến tần công nghiệp cho cơ cấu nâng hạ tải trọng nặng.
- Phần mô hình hóa toán học (Chương 3): Là tài liệu mẫu cho việc thiết lập phương trình Euler-Lagrange đối với các hệ cơ học phi tuyến thiếu cơ cấu chấp hành (underactuated mechanical systems).
- Phần xây dựng mô hình thực nghiệm (Chương 5 và Phụ lục): Cung cấp bản vẽ bố trí thiết bị tủ điện công nghiệp, sơ đồ mạch, lưu đồ Grafcet và mã chương trình mẫu trên PLC Xinje, HMI Weintek cùng kết nối Matlab/Arduino.
Câu hỏi thường gặp
1. Đề tài sử dụng thông số kỹ thuật nào của cẩu RTG cảng Cát Lái làm mốc tham khảo tính toán?
Đề tài dựa trên các thông số thực tế của cẩu RTG cảng Cát Lái gồm: động cơ nâng hạ công suất 170 kW, điện áp định mức 440 VAC (tần số 60 Hz), tốc độ 1470 vòng/phút, tải trọng container từ 5 đến 34 tấn, kích thước container $12 \times 2,4 \times 2,6$ m, chiều cao nâng đến hàn vị 18 m, tốc độ nâng không tải 52 m/phút và có tải 26 m/phút.
2. Vì sao cơ cấu nâng - hạ lại làm việc ở chế độ hạ hãm khi có tải và hạ động lực khi không tải?
Khi hạ đầy tải (đến 34 tấn), thế năng của tải trọng rất lớn sinh ra mô-men quay vượt quá mô-men tổn thất ma sát của cơ cấu ($M_t > \Delta M$), năng lượng truyền ngược về phía trục động cơ buộc máy điện phải vận hành ở chế độ hãm tái sinh (góc phần tư thứ IV) để giữ tốc độ hạ ổn định. Ngược lại, khi hạ không tải, trọng lượng bộ kẹp nhỏ ($G_0 = 50$ kg) không đủ thắng ma sát trong hệ thống ròng rọc và hộp số ($M_{h0} < 0$), động cơ bắt buộc phải làm việc ở chế độ động cơ để kéo bộ lấy tải đi xuống (hạ động lực).
3. Động cơ và biến tần được tính chọn cho hệ truyền động nâng hạ có thông số kỹ thuật ra sao?
Động cơ được chọn là động cơ không đồng bộ ba pha 160 kW, điện áp 400 V, dòng định mức 293 A, tốc độ định mức 992 vòng/phút, $p_c = 3$ đôi cực, mô-men định mức 1570 Nm, hệ số công suất 0,85. Biến tần đi kèm là dòng biến tần tải nặng ABB ACS880-01-363A-3 có công suất 200 kW, dòng định mức 363 A (dòng cực đại 498 A) ở điện áp 400 V.
4. Vì sao hệ cần cẩu treo 3D được xếp vào nhóm hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành (underactuated)?
Bởi vì hệ thống có 4 tọa độ bậc tự do ở ngõ ra cần được kiểm soát gồm tọa độ vị trí xe con ($x, y$) và hai góc lắc của tải trọng ($\theta_x, \theta_y$), nhưng chỉ có 2 tín hiệu lực điều khiển ở ngõ vào ($F_x, F_y$ do cụm truyền động xe con tạo ra), do đó không có cơ cấu chấp hành tác động lực trực tiếp lên các biến góc lắc $\theta_x, \theta_y$.
5. Mô hình thực nghiệm phần cứng sử dụng các thiết bị điều khiển và truyền động cụ thể nào?
Mô hình thực nghiệm sử dụng 01 bộ PLC Xinje XDH-60T4-E (36 In/24 Out Transistor), 03 bộ động cơ AC Servo Xinje MS6H-60CS30B1-20P4 (400 W) tương thích với 03 bộ Servo Driver Xinje DS5C1-20P4-PTA, 01 màn hình HMI Weintek MT8071iE (7 inch), cảm biến quang Omron EE-SX672, bộ chuyển đổi nguồn Omron S8VE (24 VDC - 10 A), aptomat Schneider 16 A và bộ chia mạng Mercusys MS105G.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế điều khiển chống lắc cho cẩu khung bánh lốp cảng Cát Lái" đã thực hiện thành công việc mô hình hóa hệ thống động lực học cẩu treo 3D thiếu cơ cấu chấp hành và tính chọn hoàn chỉnh hệ truyền động nâng hạ công nghiệp công suất 160 kW cùng biến tần ABB ACS880. Bằng việc phối hợp giữa thuật toán điều khiển PD trên môi trường mô phỏng Matlab/Simulink và chế tạo mô hình cơ điện tử thực tế sử dụng PLC Xinje, AC Servo và HMI Weintek, công trình đã chứng minh tính khả thi của giải pháp triệt tiêu dao động tải trọng container. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho việc thiết kế, bảo dưỡng hệ thống truyền động và tự động hóa nâng hạ tại các cảng biển hiện đại.
