Thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển hàng linh hoạt

Thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển hàng linh hoạt

Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đã học hỏiđược rất nhiều điều bổ ích từ các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử và các bạn.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo – cô giáo trong khoa Điện –Điện Tử trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên đã dạy bảo, truyền đạt những kiến thức vàkinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt những năm học tập tại trường

Đặc biệt, nhóm sinh viên chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy

Giang Hồng Bắc và thầy Nguyễn Tiến Dũng – người đã trực tiếp hướng dẫn, cung

cấp những tài liệu, kiến thức quý giá và tạo mọi điều kiện về trang thiết bị trong suốtquá trình làm đồ án để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất

Sau cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và nhữngngười bạn trong lớp ĐK9Lc.1 và những người bạn trong khoa Điện – Điện Tử đã luônbên cạnh giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho chúng em trong suốt quá trìnhhọc tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhiều ngànhcông nghiệp phụ vụ quá trình công nghiệp phát triển của đất nước Như khai tháckhoáng sản vận chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng, trong các nhà máy Băngtải dùng để vận chuyển các vật liệu nhờ những ưu điểm là có khả năng vận chuyểnhàng hóa đi xa, làm việc êm năng xuất cao và tiên hoa năng lượng không lớn lắm làmcho việc sản xuất đây chuyền dễ dàng hơn Chính nhờ những ưu điểm đó mà băng tảiđược ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực, khai thách hầm mỏ bến cảng

Nhận thấy tầm quan trọng của băng tải trong các ngành công nghiệp và đây làmột hệ thống cần có sự cải tiến và thiết kế mới trong lĩnh vực trang bị điện do vậy

chúng em đã mạnh dạn nhận đề tài “ thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển hàng linh hoạt ”

Trong đề tài này chúng em chủ yếu đi sâu vào việc dùng thuật toán PID vào điềukhiển động cơ truyền lực cho băng tải Động cơ ở đề tài của chúng em là động cơ mộtchiều Thuật toán PID ở đây chúng em dùng là PID số

Vì khả năng và thời gian có hạn nên chúng em không tránh khỏi những thiếu sóttrong đề tài Do vậy chúng em mong thầy cô và bạn bè đóng góp xây dựng để đề tàicủa chúng em được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỤC 58DANH MỤC HÌNH VẼ

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhiềungành công nghiệp phụ vụ quá trình công nghiệp phát triển của đất nước Như khaithác khoáng sản vận chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng, trong các nhà máy.Băng tải dùng để vận chuyển các vật liệu nhờ những ưu điểm là có khả năng vậnchuyển hàng hóa đi xa, làm việc êm năng xuất cao và tiên hoa năng lượng không lớnlắm làm cho việc sản xuất đây chuyền dễ dàng hơn.Vì vậy để cải thiện hiệu năng và ổn

định của băng tải chúng em xin chọn đề tài: “thiết kế, chế tạo mô hình băng tải vận chuyển hàng linh hoạt”

2 Chọn phương án thiết kế

Với đồ án này chúng em xin chú trọng vào phần trang bị điện – điện tử cho băngtải Cụ thể ở đây đối tượng chính của băng tải là động cơ 1 chiều lên các phương ánthiết kế sẽ xoay quanh các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều Vậy các phươngpháp thay đổi tốc độ động cơ 1 chiều:

- Thay đổi từ thông: Khi từ thông thay đổi thì mômen, dòng điện cũng thay đổi,nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và momen tải suy ra phương pháp này ítdùng

- Thay đổi điện trở phụ: Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản tốc độ điềuchỉnh liên tục, nhưng do them Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế

- Thay đổi điện áp phần ứng: Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnhtốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp:

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi Vì từ thông của động

cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng tùythuộc vào giá trị điện áp điều khiển của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điềukhiển này là triệt để

4 Các ứng dụng của đề tài

Sản phẩm không chỉ có ứng dụng trong băng tải mà có thể ứng dụng mạchtrang bị điện – điện tử này vào các sản phẩm khác trong công nghiệp rất hữu ích vì nóđem lại hiệu suất cao và độ chính xác vì là điều khiển có phản hồi

Sử dụng hổ trợ một phần trong các đề tài tốt nghiệp,đồ án, tiểu luận

Sử dụng trong giảng dạy (mô hình thí nghiệm trong điều khiển tự động)

- Điều khiển vị trí và vận tốc các cơ cấu servo:

- Dùng trong Robot

- Trong các máy điều khiển chương trình số

- Trong máy in và máy vẽ

1.1 Hệ thống băng tải

Băng tải thường dùng để vận chuyển vật liệu thể bột mịn, thể hạt hoặc kíchthước nhỏ theo phương nằm ngang hoặc theo phương mặt phẳng nghiêng với gócnghiêng nhỏ hơn 30 , với các cơ cấu kéo(băng chở vật liệu) đa dạng như băng cao su,

băng bằng thép tấm,

1.1.1.Cấu tạo và đặc điểm trang bị điện băng tải:

Hình 1.1.Băng tải cố định

Kết cấu của băng tải lắp cố định được biểu diễn trên hình 1.1, bao gồm có giá đỡ

10 với con lăn đỡ trên 12 và hệ thống con lăn đỡ phía dưới 11, băng tải chở vật liệu 7

di chuyển trên các hệ thống con lăn đó bằng 2 tang truyền động: tang chủ động 8 vàtang thụ động 5 Tang chủ động 8 được lắp trên giá đỡ cố định và kết nối cơ khí vớiđộng cơ truyền động qua một cơ cấu truyền lực dùng dây curoa hoặc một hộp tốc độ

Cơ cấu tạo sức căng ban đầu cho băng tải gồm đối trọng 1, hệ thống định vị và dẫnhướng 2, 3 và 4 Vật liệu cần vận chuyển từ phễu 6 đổ xuống băng tải và đổ vào phễunhận hàng 9

Băng tải được chế tạo từ bố vải có độ bền cao, ngoài bọc cao su với khổrộng( 900 1200mm) Khi vận chuyển vật liệu có nhiệt độ cao(tới 300) thường dùng

băng tải bằng thép có độ dày(0,8 1,2mm) với khổ rộng(350 800mm)

Cơ cấu truyền lực trong hệ truyền động băng tải thường dùng 3 loại:

- Đối với băng tải cố định thường dùng hộp tốc độ và hộp tốc độ kết hợp với xíchtải(hình 1.1 c,d).

- Đối với băng tải lắp không cố định(có thể di dời) dùng tang quay lắp trực tiếpvới trục động cơ (hình 1.1e) với kết cấu của hệ thống gọn hơn

- Đối với một số băng tải di động cũng có thể dùng cơ cấu truyền lực dùng đai truyền nối động cơ truyền động với tang chủ động

puli-Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:

Q = [kg/s]

Q = = 3,6 [tấn/h]

Trong đó: – khối lượng tải trên một đơn vị chiều dài của băng tải, kg/m

v - tốc độ di chuyển của băng tải, m/s

Khối lượng tải trên một đơn vị chiều dài: = S [kg/m]

Trong đó: – khối lượng riêng của vật liệu, tấn/m3

S – tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng, m2

1.1.2 Các loại băng tải

Có nhiệu loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện và tính chất làm việckhác nhau

a Băng tải cao su

Hệ thống băng chuyền bằng băng tải cao su là một hệ thống vận chuyển nguyênliệu mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất so với các hệ thống cùng chức năng Hệ thốngvận chuyển nguyên liệu bằng Băng tải cao su có thể được lắp đặt ở mọi địa hình, mọikhoảng cách

b Băng tải xích

Băng tải xích chủ yếu được sử dụng để vận chuyển tải nặng đơn vị, ví dụ như tấmnâng hàng, hộp lưới điện, và các đồ chứa công nghiệp Những băng tải có thể đượcmột hoặc hai sợi dây chuyền trong cấu hình Tải được đặt trên các dây chuyền, ma sátkéo tải phía trước Nhiều ngành công nghiệp sử dụng công nghệ băng tải xích trongdây chuyền sản xuất của họ Ngành công nghiệp ô tô thường sử dụng các hệ thống

các ngành công nghiệp phân phối.

Hình 1.2 Băng tải xích

c Băng tải con lăn

Băng tải con lăn là hệ thống băng tải gồm những con lăn được bố trí trên các giádựng đứng, sử dụng trong các kho chứa các hộp sản phẩm, hệ thống giá con lăn thuậntiện cho viêc đặt giỡ các thùng hàng

Băng tải con lăn có các loại đề bạn lựa chọn như:

- Băng tải con lăn nhựa

- Băng tải con lăn nhựa PVC :

+ Băng tải con lăn thép mạ kẽm

+ Băng tải con lăn truyền động bằng motor

Hình 1.3 Băng tải con lăn

d Băng tải đứng

Băng tải đứng thường được gọi là thang máy và thang máy vận chuyển hàng hóavật chất - là hệ thống băng tải sử dụng để tăng hoặc vật liệu thấp hơn các mức khácnhau của một cơ sở trong quá trình xử lý

e Băng tải xoắn ốc

Băng tải xoắn ốc có thể tải vận chuyển vật liệu trong một dòng chảy liên tục Cácngành công nghiệp đòi hỏi phải có một sản lượng cao hơn các vật liệu – thực phẩm vànước giải khát, bao bì trường hợp bán lẻ, dược phẩm – kết hợp các băng tải vào của họtrên hệ thống tiêu chuẩn băng tải do dọc để họ có khả năng tạo thuận lợi cao Thôngthường băng tải xoắn ốc nhất cũng có một góc độ thấp hơn của nghiêng hoặc từ chối(11 độ hoặc thấp hơn) để ngăn chặn trượt và nhào lộn trong quá trình hoạt động

Hình 1.5 Băng tải xoắn ốc

f Băng tải linh hoạt

Các băng tải linh hoạt dựa trên một chùm băng tải trong nhôm hoặc thép không

gỉ, với đường ray trượt ma sát thấp Sản phẩm sẽ được chuyển đi trực tiếp trên băngtải, hoặc trên tấm nâng hàng / nhà cung cấp Những băng tải có thể được làm việcxung quanh chướng ngại vật và giữ cho dây chuyền sản xuất chảy Chúng được sửdụng trong bao bì thực phẩm, đóng gói hồ sơ, và các ngành công nghiệp dược phẩm

mà còn trong các cửa hàng bán lẻ như Wal-Mart và Kmart

g Băng tải rung

Một băng tải rung là một máy với một bề mặt rắn vận chuyển được bật lên trênmột bên để tạo thành một máng Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngthực phẩm cấp, nơi vệ sinh và bảo trì thấp là rất cần thiết Băng tải rung cũng phù hợpvới môi trường khắc nghiệt, rất nóng, dơ bẩn, hoặc ăn mòn

h Băng tải khí nén

Mỗi hệ thống khí nén, sử dụng các ống hoặc ống dẫn gọi là đường giao thông hỗnhợp mang tài liệu và một dòng không khí.Những vật liệu này là như là hoặc miễn phíhoặc ánh sáng chảy vật liệu bột…nghiền thành bột khô như xi măng, tro bay v.v…

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cho đến ngày nay động cơ điện một chiều dùng rất phổ biến trong các hệ thốngtruyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đếnhàng MW Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễdàng mà cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Để thiết kế một hệ thống điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều trước tiên

ta xét:

2.1.1 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều gồm 2 phần chính là phần cảm và phần ứng

a Phần cảm: để tạo ra từ trường một chiều, đó là các cuộn dây 5 (cuộn kích từ ) quấnquanh các cực từ 4 được làm bằng thép đúc (hình 2.1)

b Phần ứng: là cuộn dây 7 có dòng điện một chiều chạy qua, đặt trong từ trường củaphần cảm Khi đó các dây dẫn phần ứng bị một lực từ tác dụng, roto sẽ quay

Do roto quay nên dòng một chiều cấp cho phần ứng phải đưa vào qua hệ chổithan cổ góp

Hình 2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

1 cổ góp điện; 2 chổi than; 3 rôto; 4 cực từ; 5 cuộn cảm (cuộn kích từ)

6 stato; 7 cuộn ứng; 8 quạt làm mát; 9 nắp

Tuỳ theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện mộtchiều được chia ra :

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 2.2a)

- Động cơ điện một chiều kích từ song song(hình 2.2b)

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (hình 2.2c)

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (hình 2.2d)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập (a); kích từ song song (b); kích từ nối tiếp ( c) ; kích từ hỗn hợp (d)

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sđđ Eư, Chiều sđđ xácđịnh theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ điện một chiều Eư ngược chiều với dòng Phương trình điện áp là:

U = Eư + Iư Rư

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ một chiều có những tính năng khác nhau

Eư

Iư Rư

Eư

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế động cơ một chiều.

Trong đó: Eư - Sức điện động phần ứng của động cơ

Rư - Điện trở phần ứng của động cơ

Từ sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều ta có các phương trình:

U = Eư + Iư.Rư

Eư = K.Φ.ω (1-1)

M = K.Φ.IưTrong đó:

K = 2 .a

.

π

N p

: Hệ số phụ thuộc kết cấu của động cơ

p - Số đôi cực

N - Tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng

a - Số đôi mạch nhánh song song

Từ hệ phương trình (1-1) ta có đặc tính cơ điện:

­ I.K

R.K

: Tốc độ không tải lý tưởng

Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều, biểu diễnquan hệ giữa mômen và tốc độ động cơ ω = f(M) Đây là phương trình đặc tính tựnhiên của động cơ, có dạng đường thẳng

Hình 2.5 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều kích từ độc lập, do cuộn kích từ được đấu độc lập với dâyquấn phần ứng động cơ( cấp bởi nguồn riêng ) cho nên khi động cơ làm việc nếu tăngUkt làm cho dòng Ikt tăng lên( không ảnh hưởng đến dòng phần ứng) dẫn đến tốc độđộng cơ tăng lên và ngược lại Hơn nữa Ikt thường rất nhỏ nên việc thay đổi tốc độđộng cơ đơn giản nhưng nhược điểm là phải dùng nguồn riêng

Động cơ một chiều kích từ song song, cuộn kích từ mắc song song với phần ứngđộng cơ và dòng Ikt phụ thuộc vào điện áp nguồn, ít phụ thuộc vào mômen tải nênđộng cơ này có đặc tính cơ rất cứng (tốc độ ít phụ thuộc vào tải)

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, cuộn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng động

cơ, dòng Ikt = Iư Khi chạy không tải mômen nhỏ, tốc độ tăng cao dễ làm hỏng động cơ

về mặt cơ khí ví vậy tránh dùng động cơ điện một chiều ở không tải

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có tính chất như động cơ kích từ song song

và động cơ kích từ nối tiếp

2.3 Mô hình toán học của động cơ điện một chiều:

2.3.1 Khái quát chung về động cơ điện một chiều:

Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều được biểu diễn như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều

- ω, M, Mc: Là tốc độ góc, momen điện từ và momen cản của động cơ.

2.3.2 Chế độ xác lập của động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ của một điện áp Uk nào đó, thì trong dây quấn kích

từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Tiếp đó lại đặt giá trịđiện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua.Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông mạch kích từ sẽ tạo ra momen điện từ

có giá trị:

(2)

Với là hệ số kết cấu của máy

Momen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục => sinh ra sức điện động: (3)

Trong chế độ xác lập, có thể tính toán được tốc độ qua phương trình cânbằng điện áp phần ứng

Rư: điện trở cuộn dây kích từ

 Biến đổi Laplace ta được

UK(P) = RK.IK(P) + NK.P.(P) (6)

- Mạch phần ứng:

U(t)=Rư.i(t) + Lư NN + e(t) (7)

NN: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

 U(P) = Rư.I(P) + Lư.P.I(P) NN.P.(P) + E(P) (8)

Hoặc dạng dòng điện:

I(P)=.[U(P) NN.P.(P)+E(P)]

Với ư = Lư/Rư hằng số thời gian của mạch phần ứng

Phương trình chuyển động của hệ thống

M(t) – [mc(t) + mms(t)] = J

 M(P) - [MC(P) + Mms(P)] = J.P.ω(P) (9)

Trong đó J là momen tổn hao do ma sát

Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện 1 chiều

• Ở dạng đầy đủ:

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều dạng đủ

Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hìnhtuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Hình 2.8 Mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của động cơ điện một chiều

Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc độ ωB, điện áp kích từ UKo, từ thông 0 dòng kích từ IKo và momen tải MCB biến thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là ∆U(P); ∆I(P); ∆ω(P); ∆UK(P); ∆IK(P); ∆(P); ∆MC(P)

-Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì NN = 0 => các phương trình sau:

• Mạch phần ứng: u(t) = R.i(t) + L + e

=>Uo + ∆U(P) = Rư[I0+∆I(P)] + P.Lư[I0+∆I(P)] + K.[0+∆(P)][ωB+∆ω(P)] (10)

• Mạch kích từ: UKo+∆UKo=RK[I0+∆I(P)]–P.LK[I0+∆IK(P)] (11)

• Phương trình chuyển động có học, từ pt: mđt(t) – (mc(t)+ mms(t) = J.) K[0 + ∆(P)][I0 + ∆I(P)] – [MB + ∆MC(P)] – f.[ωB + ∆ω(P)] = J.P.[ωB + ∆ω(P)] (12) Từ các phương trình trên, nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: ∆U(P) – [K.ωB.∆(P) + K.0.∆ω(P)] = Rư.∆I(P).(1+P.τư) (13)

∆UK(P)= RK.∆IK(P).( 1+P.τư) (14)

τk=

K.I0.∆(P)+K.0.∆I(P)-f.∆ω(P)=J.P.∆ω(P) (15)

Từ đây ta có sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa theo các phương trình (13) và (15)

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều

b Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi:

Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi:

Sơ đồ đầy đủ:

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

- Bằng phương pháp đại số ta có sơ đồ thu gọn:

+ Theo tốc độ

Hình 2.11 Sơ đồ thu gọn theo tốc độ

2.4 Điều khiển tốc độ động cơ

Như đã giới thiệu ở lời mở đầu chúng ta có rất nhiều phương pháp để thay đổitốc độ động cơ điện một chiều như điều khiển từ thông, thay đổi điện trở phần ứng,điều chỉnh điện áp phần ứng Tùy theo mục đích sử dụng, phương pháp thiết kế, ưunhược điểm của các phương pháp mà người ta lựa chọn các phương pháp khác nhau.Sau khi tìm hiểu và phân tích thì chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi điện ápphần ứng để điều khiển tốc độ động cơ vì:

- Hệ có khả năng điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể thay đổi tốc độ không tải lýtưởng(khi M=0)

- Độ cứng đặc tính cơ điều chỉnh được giữ không đổi

- Dải điều chỉnh tương đối rộng Phạm vi điều chỉnh càng lớn càng tốt và phụthuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

2.4.1 Bộ băm xung áp một chiều.

Bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong truyền động động cơ Bộbăm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US mộtcách trơn liên tục

Nguyên lý:

Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau

Phương pháp điều chỉnh điện áp ra :

Có hai phương pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung.

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trungbình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

Trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε≤ 1)

U = 1. =ε

T

t1

=ε

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

Vậy Ura= US khi và Ura= 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên Thực tế phương pháp biến đổi

độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đikèm

Nhận xét:

Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phương pháp này gọi là PWM (PulseWidth Modulation) Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số Việc điềukhiển trạng thái đóng mở của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với mộtsóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi Nó sẽthiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 400Hzđến 200kHz Khi thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

Hình 2.12.Tín hiệu điều khiển van

2.4.2 Các sơ đồ băm xung:

- Sơ đồ nguyên lý như sau:

S S

Hình 2.13 Sơ đồ băm xung giảm áp

Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bán dẫn điều khiển)

Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chấtcảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Diode mắc ngược với Ud để thoátdòng tải khi khoá K ngắt

+ S đóng ⇒ U được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt

áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ S mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tíchluỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó ud=0

Như vậy, Ud ≤ U Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Đặc tính truyền đạt:

-Sơ đồ như sau:

Hình 2.14 Sơ đồ băm xung tăng áp

Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm L khôngtham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này

+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đãđược tích điện trước đó)

+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải Vì từ thông trong L khônggiảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL , có

cùng cực tính U Do đó tổng điện áp: ud =U + eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục vànăng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn

d I

UWU

2.5 Bộ băm xung một chiều có đảo chiều

2.5.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.15 Sơ đồ băm xung có đảo chiều

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn MOSFET Bộ BXMC(băm xung một chiều) dùngvan điều khiển hoàn toàn MOSFET có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảochiều dòng điện tải.Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do

đó bộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độclập có nhu cầu đảo chiều quay

Các van MOSFET làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm Các Diode D1, D2, D3,D4 dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : điều khiển không đối xứng vàđiều khiển đối xứng

2.5.2 Các phương pháp điều khiển

a Phương pháp điều khiển đối xứng.

Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặpcòn lại sẽ khoá

+ Muốn cho động cơ quay thuận cho S1, S2 dẫn, S3, S4 nghỉ

+ Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1, S2 nghỉ, S3, S4 dẫn

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1

và thứ 2) tương ứng với cặp van S1, S2 làm việc, S3,S4 luôn bị khoá

Xét trong một chu kỳ đóng mở:

Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S1÷S4 đều hoạt động Giả thiết S3

và S4 đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B → A)

- Tại thời điểm t=0 đưa xung mở S1 và S2 Vì trước thời điểm phát xung mộtkhoảnh khắc thì iS3=IS4>>0 nên đến θ=0, muốn khoá S3 & S4 ta cần khoá cưỡng bức

d I

bằng cách phát xung âm vào cực điều khiển Khi đã khoá S3 & S4 ,dòng tải id = Iminkhông thể đảo chiều ngay lập tức do tải điện cảm Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũtheo mạch D1 – E –D2 ⎯ tải –D1 và suy giảm dần Khi đó D1 & D2 dẫn dòng

- Đến t=t1 : Khi dòng qua D1 và D2 suy giảm về 0 thì S1 và S2 sẽ dẫn nếu vẫncòn tiếp tục duy trì xung điều khiển Dòng tải đổi chiều và tăng trưởng dần theo chiều

từ A→ B

- Đến t=t2 ta lại cho mở S3 & S4 đồng thời khoá S1 và S2.Dòng tải lại tiếp tụcduy trì theo chiều cũ vì D3 và D4 đang dẫn, S3 và S4 sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầu bằng

0 và đổi chiều

Hình 2.16 Đồ thị dòng điện, điện áp phương pháp điều khiển đối xứng

Điện áp đặt lên động cơ là U, ta có phương trình:

d d

Ta có:

min

U E i(t) (1 e ) I e

τ =

Trong khoảng γ < α <T T, S2 và S4 dẫn hoặc D2 và D4 dẫn, điện áp đặt lênđộng cơ là –U.

I

γ τ τ

− τ

+Trong khoảng 0<t<γT điện áp đặt lên động cơ là U; và trong khoảng γT<t<Tđiện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trung bỡnh đặt lên động cơ là:

U E (2 1)U E I

U = U

- Giá trị trung bình qua tải (2 1 U)

E R

U a

b a b

T R

U dt t i T

I

1 1

1

1 (1 ) (1 )1

)1

)(

1(.2)(

1

γγ

τ

(24)

E R

U R

E U R

U

)1()12()1()1()

1( 2

γγ

γγ

γ

≈

(25) (Sử dụng khai triển hàm ex theo khai triển Maclaurin )

-Dòng trung bình qua van: Is=γ (26)

Tương tự ta có IS= γIt

-Điện áp ra tải có giá trị trung bình là Ut=(2γ-1)U

+Ta thấy nếu γ=0.5 thì Ut=0

+Nếu γ>0.5 thì Ut >0

Như vậy bằng cách thay đổi giá trị đó mà ta thay đổi được giá trị điện áp ra tải

và cả dấu của nó Do đó sẽ đảo chiều quay của động cơ

NHẬN XÉT:

Ưu điểm: Dòng điện làm việc trên tải là liên tục, có thể làm cho động cơ vận

hành ở 4 góc phần tư của hệ tọa độ, lúc động cơ ngừng quay vẫn có dao động nhỏ củadòng điện , có thể loại bỏ vùng chết ma sát tĩnh

Nhược điểm: Trong quá trình làm việc, 4 van đều ở trạng thái đồng thời mở,

công suất đống mở tổn hao lớn, dễ sinh sự cố hai van đồng thời mở thông, làm giảm

độ tin cậy của thiết bị Độ đập mạch dòng tải lớn, điện áp ra trên tải bị đảo dấu

b Phương pháp điều khiển không đối xứng

Hình 2.178 Đồ thị dòng điện và điện áp phương pháp điều khiển không đối xứng Các biểu thức tính toán:

+Giá trị dòng trung bình qua tải

di L T

T t T

o

T t t

T t

∫

0 0

0

1

1

1

.1

R.It +E=γ U

R

E U

1(

1

1 1

1 1

a T

b a b

U R

+ Dòng trung bình qua Điôt: D t

I R

NHẬN XÉT:

Ưu điểm: Điện áp trên tải chỉ có một dấu ở chiều xác định(tùy theo chiều quay

thuận hay ngược mà Ud có giá trị là +U hoặc -U) Độ đập mạch dòng tải nhỏ.Tổn thấtnăng lượng trong mạch phàn ứng động cơ nhỏ do trong 2 MOSFET bao giờ cũng cómột cái thường đóng, một cái thường mở

Nhược điểm: Khó thực hiện việc điều khiển.

Kết luận:

Qua việc phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ ( một chiều cáchchủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều ( cầu BXDC hay cầu H), mạchnày cho phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo chiều một cách độc lập.Hơn nữa mạch này rất thông dụng ( dùng trong DC – DC, DC – AC converter) do đóviệc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng hơn

- Lựa chọn van bán dẫn

Chọn van IGBT bởi:

+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đông cắt nhanh của MOSFET và khả năngchịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơchạy êm hơn

+ Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết kếcác bộ biến đổi và làm kích thước hệ thống điều khiển nhỏ hơn nữa nó cũng làm tiếtkiệm năng lượng (điều khiển)

+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thây thế transistor BJT

nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn Cùng với sựphát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng để điều khiển chúng ngày càng phát triển

và hoàn thiện hơn do đó việc điều khiển cũng chuẩn xác và thiết kế các mạch điềukhiển cũng đơn giản gọn nhẹ

2.6 Tổng quan về thuật toán điều khiển PID

2.6.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional IntegralDerivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sửdụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sửdụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tínhtoán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mongmuốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điềukhiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điềukhiển PID là bộ điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông

số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khikiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôikhi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viếttắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xácđịnh tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc

độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thôngqua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gianhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộcvào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai sốtương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điềukhiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiểnvọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuậtPID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0.Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt cáctác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đốivới các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống khôngđạt được giá trị mong muốn