CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1.1 Tổng quan về hệ thống: 1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mô tả bài toán của đề tài: - Dự án này yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với tải chuyển động tịnh tiến. - Yêu cầu hệ truyền động: điều khiển băng tải để vật có khối lượng M chuyển động tịnh tiến (mô tả như Hình 1.1) với tốc độ mong muốn (mô tả như Hình 1. Cụ thể trong đề tài này ta chọn tải là vật có khối lượng 120 kg. Nguồn cấp cho hệ thống là nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V Hình 1.
1 Tải chuyển động tịnh tiến Hình 1. 2 Đồ thị tốc độ mong muốn. - Trong đó: M : Khối lượng của tải (M = 120 Kg) r : Bán kính pulley J M : Mô men quán tính trên trục động cơ ω m : Tốc độ quay động cơ T em : Mô men điện từ của động cơ u : Tốc độ mong muốn của tải f L : Ngoại lực - Theo yêu cầu ta có tải ở dạng băng tải, để đáp ứng yêu cầu thì trục rotor của động cơ cần phải quay với tốc độ mong muốn và truyền động cho băng tải. - Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải được mô tả ở Hình 1.2 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 Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 6 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.2 Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện: - 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 tịnh tiến 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 cần phải có các cảm biến đo được các tín hiệu cần dùng → cần có các cảm biến dòng, cảm biến tốc độ. Từ các giá trị cảm biến thu được và giá trị mong muốn hệ truyền động đáp ứng, ta sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ → cần có bộ điều khiển. - Từ các phân tích trên ta đưa ra sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện: Hình 1. 3 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện.
- Từ sơ đồ tổng quát hệ truyện động ta sẽ đi phân tích chức năng của từng khối để rõ hơn nguyên lí hoạt động của hệ truyện động. Khối động lực: Hình 1. 4 Sơ đồ tổng quát khối động lực Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 7 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng - Ta có sơ đồ tổng quát khối động lực như Hình 1.4, khối động lực gồm có các phần chính là bộ biến đổi công suất, động cơ điện, hộp số và băng tải như hình vẽ. Dưới đây là mô tả và chức năng của từ phần trong khối động lực: Bộ biến đổi công suất: Các bộ biến đổi thường dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, bộ băm điện áp, bộ điều áp xoay chiều, bộ biến tần.
Cụ thể ở đề tài này bộ công suất có nhiệm vụ biến đổi từ nguồn điện xoay chiều 3 pha cố định đã cho sang nguồn điện phù hợp cấp cho động cơ. Động cơ: Sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập để truyền động cho tải. Trục Rotor của động cơ có chức năng truyền động trực tiếp cho pulley băng chuyền. Trong trường hợp chọn động cơ không đủ tải ta sẽ sử dụng hộp số để tăng momen của động cơ lên cho phù hợp với tải.
Băng tải: Pulley chuyển động quay và truyền động cho tải M chuyển động tịnh tiến thông qua băng tải. Khối điều khiển: Hình 1. 5 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển - Ta có sơ đồ tổng quát khối điều khiển như Hình 1.5, khối điều khiển có chức năng giám sát, tính toán và đưa ra các giá trị điều khiển cho phần động lực để kết quả đầu ra bám sát yêu cầu mong muốn. Dưới đây là mô tả và chức năng của từng phần trong khối điều khiển: 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. Từ các thông tin phản hồi cùng với giá trị đặt mong muốn ở đầu vào, các thuật toán điều khiển thực hiện tính toán và đưa ra các giá trị điều khiển cần thiết để điều khiển tốc độ thực của động cơ bám theo giá trị đặt mong muốn. Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 8 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.2 Tính toán yêu cầu của tải: - Từ mô tả bài toán ta đi tính toán các thông số yêu cầu của tải. - Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Phân tích và đưa ra phương án truyền động cho động cơ.1 Tính toán các thông số yêu cầu của tải: - Ta chọn các thông số mong muốn cho tải: Khối lương tải: M = 120kg Bán kính Pulley: r = 0.15m Giả sử bỏ qua ma sát ổ trục và lực cản không khí - Từ đồ thị tốc độ mong muốn được mô tả ở Hình 1.2 ta đi tính tốc độ góc ω m tương ứng theo từng mốc thời gian thông qua biểu thức: u ω m= (1.1) d - Ta biểu diễn kết quả tính toán ở bảng sau: Bảng 1.1 Tốc độ mong muốn theo thời gian.3 7 0 0 - Từ bảng trên ta vẽ được đồ thị tốc độ góc ω m mong muốn như sau: Hình 1.
6 Đồ thị tốc độ góc mong muốn. Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 9 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Dựa vào đồ thị Hình 1.6 ta xác định được quá trình hoạt động động cơ: - Quán trình tải chạy tới: Từ 0 đến 1s: tốc độ quay của động cơ tăng từ ω m=0 rad/s đến ω m=33.3 rad/s Từ 1 đến 3s: động cơ hoạt động ổn định với tốc độ quay ω m=33.3 rad/s Từ 3 đến 3.5s: tốc độ quay của động cơ giảm về ω m=0 rad/s - Quán trình tải chạy lùi: Từ 3.5 đến 4s: động cơ đảo chiều, độ lớn tốc độ quay của tăng dần lên ω m=33.3 rad/s Từ 4 đến 6s: động cơ hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay ω m=33.3 rad/s Từ 6 đến 7s: tốc độ quay của động cơ giảm về ω m=0 rad/s và dừng. Áp dụng định luật II Newton để đưa ra phương trình cân bằng của hệ: - Theo định luật II Newton ta có: d ωm 2 d ωm T em=J m +r M +r f L (1.2) dt dt d ωm - Với J M là mô men yêu cầu để quay trục rotor của động cơ, vì chưa chọn dt động cơ nên tạm thời bỏ qua giá trị này, sau khi chọn được động cơ ta sẽ kiểm nghiệm lại, để thuận lợi cho việc tính toán ta cũng tạm thời bỏ qua ngoại lực f L. Lúc này ta xác định công thức sơ bộ momen điện từ của động cơ là: 2 d ωm (1.3) T em=r M dt - Lúc này ta tính toán mô men điện từ cần cung cấp để kéo tải trong từng giai đoạn như bảng sau: Bảng 1.
2 Giá trị mô men điện từ yêu cầu của tải theo thời gian.91 Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 10 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng - 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: P=T em ω m (1.4) - Ta biểu diễn kết quả tính toán ở Bảng 1. 3 Công suất tức thời yêu cầu của tải theo thời gian.5 P5 0 P6 0 4 P7 5988 P8 0 6 P9 0 P10 -2994 7 P11 0 P12 0 - Từ hai Bảng 1.3 ta có được giá trị mô men cực đại và giá trị công suất cực đại yêu cầu của tải: T em=179.m) P=5988 (W) - Từ đây ta vẽ được đồ thị biểu diễn tốc độ quay (ω m), momen điện từ ( T em) và công suất ( P) yêu cầu của tải như Hình 1.7 Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 11 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 1. 7 Đồ thị tổng hợp tốc độ, mô men, công suất yêu cầu của tải. Tiếp theo ta đi tính mô men đẳng trị T đt và công suất đẳng trị Pđt : - Mô men đẳng trị T đt : ∑ √ 2 T em Δt i T đt = (1.5) ∑ Δti √ 2 2 2 2 2 2 T em1 Δ t 1+T em 2 Δt 2 +T em3 Δ t 3 +T em4 Δ t 4 + T em 5 Δt 5 +T em6 Δ t 6 ¿ ∑ Δti √ 2 2 89.m) - Công suất đẳng trị Pđt : (1.6) Nhóm thực hiện: Nhóm 3 Trợ giảng: Huỳnh Quốc Hùng Trang 12 PBL2: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng √ 2 ∑ Pi Δ t i Pđt = ∑ Δt i √ 2 2 2 2 2 2 P1 Δ t 1+ P 2 Δt 2 + P4 Δt 3 + P5 Δt 4+ P6 Δ t 5 + P8 Δ t 6 ¿ ∑ Δti √ 2 2 2 2 2994 × 1+(−5988) × 0.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một động cơ trong đó phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.