Đề tài Nghiên cứu và tổng hợp hệ thống điều khiển dây chuyền cắt vải mành tại Công ty cao su sao vàng Hà Nội

chiều theo phương pháp băm xung áp 4.1.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ theo phương pháp băm xung áp Ở một số hệ thống trang bị điện có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ một chiều mà nguồn cung cấp lại có điện áp cố định như hệ thống điện trở mạch phần ứng, hệ thống xung trở mạch phần ứng, hệ thống máy phát điện một chiều ... thì việc điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ được thực hiện nhờ loại biến đổi xung áp. Theo phương pháp này, động cơ được đóng vào và cắt ra khỏi lưới cung cấp có chu kỳ. Khi đóng, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ. Phần chủ yếu của năng lượng được truyền qua trục động cơ vào máy sản xuất, còn một phần được tích lại dưới dạng động năng và năng lượng điện từ. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều chỉnh xung áp động cơ một chiều kích từ độc lập (XA - Đ) được vẽ trên hình 4.1 Hình 4.1 Động cơ một chiều kích từ độc lập Trong thời gian khóa K ở trạng thái đóng, dòng điện phần ứng bằng dòng điện đi từ nguồn cung cấp đến động cơ qua khóa K. Khi khóa K được cắt ra, thì dòng điện nhận từ lưới = 0. Lúc này, sức điện động cảm ứng sẽ tiếp tục duy trì dòng điện và chạy qua : . 4.1.2 Khảo sát chất lượng hệ XA – Đ ở chế độ dòng điện liên tục Đồ thị hình 4.2 chỉ rõ quá trình điện xảy ra trong hệ XA – Đ ở chế độ dòng điện liên tục: 4.2a: điện áp đặt lên động cơ 4.2b: dòng điện phần ứng động cơ 4.2c: dòng điện trên điện cảm 4.2d: dòng điện qua điôt Hình 4.2 Đồ thị dòng và áp a: Điện áp đầu ra bộ biến đổi b: Dòng điện phần ứng động cơ c: Dòng điện trên điện cảm L d: Dòng qua điôt Vo Hình 4.3 Đồ thị dòng và áp trong chế độ giới hạn Các đồ thị này xác định với giả thiết K và đóng cắt tức thời, nghĩa là không có dòng cảm ứng trong mạch nguồn và mạch điôt (L = 0, Rvo = 0). Khi đó ta có hệ phương trình sau: Trong trường hợp K đóng: (4 - 1) Trong trường hợp K mở: (4 - 2) Trong đó Ce, Cm là các hệ số sức điện động và mô men động cơ khi từ thông của động cơ định mức fdm, J là mômen quán tính đã quy đổi. Để phân tích trạng thái xác lập của hệ thống truyền động, ta phân tích mối quan hệ giữa các giá trị trung bình của các đại lượng dòng điện, mômen, tốc độ, điện áp trong một chu kỳ đóng cắt của khóa K. Giả thiết: Mc = const, từ (4 - 1) và (4 - 2), ta có: Khi đã xác lập, tức là ; Þ Mtb = Mc = const Þ Mặt khác ta có: trong đó: Vì xác lập Þ nên: ; với Từ đó, suy ra phương trình đặc tính tốc độ của hệ XA – Đ (4 - 3) và phương trình đặc tính mômen như sau: (4 - 4) Phương trình (4 - 3) và (4 - 4) là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ XA – Đ. Nhận xét: Đặc tính của hệ XA – Đ có dạng đường thẳng và song song với nhau, cắt trục tọa độ tại các điểm không tải lý tưởng . Như vậy với giả thiết ; Rvo = 0, thì độ cứng đặc tính cơ của hệ thống XA – Đ bằng đặc tính cơ tự nhiên. (4 - 5) được gọi là tốc độ không tải lý tưởng. Từ (4 - 3), (4 - 4) và (4 - 5) ta đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ cho hệ XA – Đ động cơ một chiều như sau: w = f(g) g = t1/Tck Phương pháp 1: Giữ Tck = const (f = 1/Tck = const) thay đổi t1 ta có g thay đổi Phương pháp 2: Giữ t1 = const, thay đổi Tck ta có g và f thay đổi Phương pháp 3: Kết hợp cả hai phương pháp điều chỉnh trên Trong các phương pháp đã đưa ra, phương pháp 1 được sử dụng phổ biến nhất vì khi đó việc biến đổi g từ 0 đến 1 được thực hiện tương đối đơn giản, và nhờ vậy, tốc độ động cơ được điều chỉnh trong phạm vi rộng. Phương pháp 2 có sơ đồ đơn giản hơn, nhưng lại không điều chỉnh sâu tốc độ được. Các đặc tính tốc độ vừa xét chỉ đúng khi dòng phần ứng liên tục, mà hệ thống XA – Đ có thể xảy ra dòng gián đoạn. Khi đó, hệ thống tiêu thụ điện năng dự trữ cho truyền động là rất lớn và quan hệ giữa và sẽ khác đi so với dòng điện liên tục. Vấn đề đặt ra là cần tìm giá trị giới hạn của dòng liên tục và quan hệ giữa và trong vùng này. Ta xét quy luật biến thiên của dòng phần ứng theo thời gian. Từ hai phương trình (4 - 1), (4 - 2) ta thấy trong từng khoảng thời gian đóng và cắt khóa K, trạng thái chuyển động được mô tả bằng phương trình vi phân bậc 2. Thực tế với độ chính xác cho phép ta có thể coi và: Khi đó, đặc tính biến thiên của dòng phần ứng trong một chu kỳ chuyển mạch được xác định bằng các phương trình (4 - 1), (4 - 2) và nghiệm của chúng có dạng: (4 - 6) trong đó: ; ; Tư = Lư/Rư Theo cách chọn gốc ban đầu có: ; Thay các trị số tương ứng vào (4 - 6) ta giải được , từ hệ sau: (4 - 7) Theo đồ thị hình 4.3, điều kiện để xác định dòng điện giới hạn là: Nếu chọn Tck << Tư, ta có t1 << Tư và t2 << Tư, như vậy: Biểu thức chứng tỏ Igh sẽ thay đổi khi g thay đổi và fcm thay đổi. Khi g = ½ tương ứng Igh max = Inm/(8.Tư.fcm). Từ đó ta có các phương pháp hạn chế bớt Igh là tăng Tư hoặc fcm. Tăng Tư bằng cách bù điện kháng cho mạch phần ứng. Còn đối với fcm thì trong thực tế, fcm thường không vượt qúa 800 – 1200Hz nó phụ thuộc vào từng loại thiết bị. 4.1.3 Khảo sát chất lượng của hệ XA – Đ ở chế độ dòng điện gián đoạn Khi đã cắt khóa K, ở thời điểm t2 dòng điện giảm và đạt giá trị 0 thì: Þ ; với Mặt khác, trị số trung bình của dòng phần ứng đối với trường hợp này là: hay Khai triển theo chuỗi Furie ta được: Từ đó có phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ là: Trong đó, Mnm = Cm.fdm.Inm; kết hợp với , ở trên khi cho g khác nhau ta được họ đặc tính như hình 4.4 Hình 4.4 Đặc tính cơ của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ Tốc độ không tải lý tưởng ở trạng thái dòng điện gián đoạn không phụ thuộc vào g. Độ cứng của đặc tính cơ ở trạng thái này rất thấp, do đó xu hướng thiết kế phải giảm nhỏ vùng gián đoạn. Đặc tính cơ được vẽ như hình 4.4. 4.2 Thiết kế hệ điều chỉnh xung áp một chiều cho cụm băng tải Bộ điều chỉnh băm xung áp động cơ một chiều (XA - Đ) được thiết kế gồm hai phần chính. Đó là: Phần mạch lực Phần mạch điều khiển 4.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động tại cụm băng tải Trong dây chuyền cắt vải năm, bộ phận chuyển động của băng tải là quan trọng nhất vì nó quyết định độ chính xác của chiều dài miếng vải được cắt. Quy trình điều chỉnh chuyển động của băng tải phải đảm bảo được các yếu tố như sau: Tốc độ của băng tải phải được giữ ổn định trong quá trình dẫn vải (nghĩa là sau khi tăng tốc ta phải giữ được tốc độ ổn định ở mọi giá trị đặt trước) Sau khi định đủ chiều dài của khổ vải, phải dừng được chính xác động cơ để thực hiện các thao tác cắt Động cơ quay băng tải có thể đảo chiều quay khi cần thiết/ Sơ đồ khối cấu trúc hệ truyền động tại cụm băng tải như sau: HìnHình 4 – 9: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ băng tải Để điều chỉnh tốc độ động cơ ở mọi giá trị nào đó thì một mạch vòng phản hồi tốc độ lấy tín hiệu từ máy phát tốc được đưa đến bộ điều chỉnh tốc độ. Với mục đích đảm bảo dòng điện động cơ không vượt quá giá trị cho phép, chúng ta sử dụng mạch vòng phản hồi dòng điện để hạn chế dòng điện một cách tự động.Độ dài của vải được xác định thông qua cơ cấu đo độ dài. Ở đây sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập và thực hiện điều khiển dựa trên nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đó là điều chỉnh xung điện áp một chiều bằng cách điều biên độ rộng xung. Để đảo chiều quay động cơ ta dùng bộ điều chỉnh xung áp đảo chiều kép loại B mắc theo sơ đồ cầu. Các van bán dẫn sử dụng trong phần điều khiển công suất nguồn một chiều cấp cho động cơ là van Transistor bipolar (có thể sử dụng transistor có cực cửa cách ly IGBT – isualated gate bipolar transistor). 4.2.2 Tính toán các thông số của động cơ điện một chiều Động cơ xoay chiều của băng tải có công suất 3.7kW, ta sẽ thay thế bằng động cơ một chiều kích từ độc lập kiểu pH 68 – 110V với các thông số như sau: Công suất định mức: kW Điện áp định mức: Dòng điện định mức: Tốc độ định mức: vòng/phút Số đôi cực: 2p = 2 Điện trở mạch phần ứng: Điện cảm mạch phần ứng: Mô men quán tính: J = 0.25 Các thông số này được tra từ phụ lục 2 trong tài liệu “Các đặc tính của động cơ trong truyền động điện” – X.N.VESENEVXKI – Bùi Đình Tiếu và Lê Tòng dịch Từ đó ta tính được các thông số còn lại của động cơ: Tốc độ góc định mức: Hệ số tỷ lệ sức điện động của động cơ: Hệ số khuếch đại của động cơ: Hằng số thời gian điện từ của động cơ: Hằng số thời gian điện cơ: Tốc độ không tải lý tưởng: Mđm sinh ra trên trục động cơ: 4.2.3 Thiết kế mạch lực bộ điều chỉnh xung áp một chiều 4.2.3.1 Nguyên lý hoạt động Bộ biến đổi xung áp được thiết kế có đảo chiều quay do đó ta sử dụng mạch nguyên lý mắc theo sơ đồ cầu. Vì động cơ công suất nhỏ nên chọn các van mạch lực là Transistor. Sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ điều chỉnh XA – Đ như hình 4.10 dưới đây. Nhiệm vụ của bộ biến đổi là băm xung điện áp với nguyên lý thay đổi độ rộng xung. Sức điện động của bộ biến đổi được thay đổi liên tục, do đó có thể điều chỉnh tốc độ động cơ vô cấp.Bằng cách điều khiển các cặp van làm việc theo nhưng quy luật nhất định, ta sẽ điều khiển được tốc độ cũng như trạng thái làm việc của động cơ. Trong sơ đồ trên, 4 van lực , , , được bố trí theo sơ đồ cầu. Ta chọn phương pháp điều khiển đặc biệt kết hợp được ưu điểm của phương pháp đối xứng (làm việc theo cặp van) và không đối xứng (giảm độ đập mạch dòng điện 2 lần). Các cặp van chẵn hoặc lẻ khi làm việc sẽ cho điện áp đặt lên động cơ thay đổi được đổi cực tính và vì thế động cơ có thể đảo chiều quay. Ngoài ra còn có các Diod lực , , , cùng phối hợp với các van lực , , , khép kín dòng điện trong mạch phần ứng để duy trì dòng điện liên tục trong chế độ động cơ cũng như dòng hãm. Các điện trở và tụ điện , tạo ra các mạch RC song song với các van lực để bảo vệ chúng khi chuyển đổi. Chế độ làm việc của các van lực và các Diod lực tùy thuộc trạng thái điều khiển của bộ biến đổi và chế độ làm việc của động cơ. Thời gian dẫn dòng của các van này được thể hiện trong giản đồ điện áp, dòng điện hình 4.18; 4.19 Khi có tín hiệu mở đồng thời cặp van thì động cơ quay thuận. Chiều dòng điện chạy qua động cơ và các van được thể hiện trên hình 4.11 Nếu có tín hiệu điều khiển mở cặp van thì động cơ sẽ quay ngược. Chiều dòng điện chạy qua động cơ và qua các van lực được thể hiện như trên hình 4.12 Hình 4 – 10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực Hình 4 – 11: Dòng chảy qua các van khi động cơ quay thuận Hình 4 - 12: Dòng chảy qua các van khi động cơ quay ngược 4.2.3.2 Tính toán chọn các van cho mạch lực Mạch lực bộ biến đổi xung áp một chiều là một mạch cầu gồm 4 van lực transistor dẫn dòng theo từng cặp chẵn lẻ, 4 diot lực bảo vệ khi đảo chiều và đảo dòng khi hãm tái sinh. Với phương pháp điều khiển đối xứng, tần số mạch điều khiển lớn, động cơ được chọn có khả năng chịu quá tải, điện kháng trong mạch đủ lớn nên coi như không xuất hiện dòng điện gián đoạn. Trong thời gian một cặp van làm việc, ứng với một chiều quay xác định của động cơ. Trong khoảng thời gian ngắn liên tiếp (0<<T) thì điện áp trung bình đặt lên động cơ là: . Khi thì đạt giá trị lớn nhất gần bằng nguồn: , cặp van mở thông suốt. Ở chế độ xác lập ta có dòng trung bình ra tải lớn nhất: Trong đó, : nội trở của nguồn và bộ biến đổi thường rất nhỏ so với . : sức điện động định mức của động cơ , , [vòng/phút], Từ đó, ta tính được: Chọn loại van có dòng collector: , trong đó k = 1,5: hệ số dự trữ Dòng tải lớn nhất qua van là cũng là dòng lớn nhất qua Diod. Điện áp ngược lớn nhất đặt lên điôt ở đây coi bằng . Biện pháp hạn chế dòng gián đoạn, sự nhấp nhô của dòng điện Vì điện áp ra của bộ biến đổi có dạng xung, nên để san bằng dòng điện ta tính thêm điện kháng san bằng đưa vào mạch phần ứng động cơ. Chọn trị số điện cảm mắc thêm vào mạch phần ứng động cơ bằng thì hằng số thời gian điện từ mạch phần ứng là: Tính độ đập mạch dòng tải khi: Khi mắc thêm cuộn cảm vào mạch phần ứng động cơ, điều này sẽ có tác dụng hạn chế vùng gián đoạn và san bớt độ nhấp nhô của dòng điện phần ứng, cho phép động cơ làm việc ổn định hơn và mô men động cơ ít dao động hơn. Xác định biểu thức , một cách dơn giản với sai số chấp nhận được, ta có thể xem: Giá trị dòng điện lớn nhất và nhỏ nhất được xác định bằng công thức: Độ đập mạch của dòng điện so với giá trị trung bình của dòng điện tải là: Từ biểu thức trên ta thấy rằng độ đập mạch dòng tải phụ thuộc vào tỷ số (). Lấy đạo hàm và cho đạo hàm này = 0 ta sẽ tính được hệ số ứng với độ đập mạch lớn nhất: Điều này có nghĩa là khi độ rộng xung điều khiển bằng 0,5 chu kỳ phát xung thì độ đập mạch dòng tải là lớn nhất. Như vậy, ta tính được độ đập mạch lớn nhất (khi ). Trong đó: Vậy dòng qua Diode là: Căn cứ vào những số liệu trên ta chọn: Van lực là Transistor BUT 90 loại Silicon_npn có thông số như sau: Dòng qua van chịu được: Sụt áp khi van dẫn bão hòa: Điện áp khi van khóa (): Dòng Bazơ lớn nhất: Thời gian cần thiết đến là: Thời gian để dòng tải giảm từ là: Tần số làm việc giới hạn: Đây là loại transistor do hãng Sescosem Thomson CFS, Semiconductor Chân số 1: Emiter Chân số 2: Bazơ Chân số 3: Collecter Loại này gắn bằng đinh tán lên bảng mạch Div,50 rue Jean Pieer Timband, Courbevoir, France sản xuất Chọn Diode loại BYT 60, cùng hãng sản xuất có các thông số sau: Dòng cực đại qua Diode: Điện áp ngược cực đại mà Diode chịu được: Thời gian mở thông cực đại: (Tất cả các thông số của Transistor và Diode mà ta đã chọn như trên được tra cứu trong tài liệu – Điện tử công suất – Nguyễn Bính - Nhà xuất bản KHKT) 4.2.4 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ điều chỉnh xung áp một chiều 4.2.4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Mạch điều khiển hệ XA – Đ được mổ tả: Mạch tạo tín hiệu Uđk Phát xung tam giác khuếch đại xung điều khiển Mạch chia xung So sánh Uđk Ur Hình 4.13 : Sơ đồ khối mạch điều khiển 4.2.4.2 Mạch tạo tín hiệu điều khiển Uđk Mạch này có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển để mở các van Transistor của bộ băm xung bằng cách so sánh tín hiệu dặt dòng điện Uiđ lấy từ đầu ra của bbộ điều chỉnh tốc độ ứng với tín hiệu phản hồi dòng phần ứng Ufi. Đồng thời duy trì dòng phần ứng luôn bằng giá trị đặt Uiđ bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá độ Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.14: Mạch tạo tín hiệu Uđk Đầu ra của bộ điều chỉnh được hạn chế bởi 2 điôt Zener để đảm bảo tín hiệu điều khiển không được vượt quá trị số cực đại của điện áp răng cưa. 4.2.4.3 Mạch phát xung tam giác chuẩn Trong mạch điều khiển của cả hai kênh đều dùng chung một mạch phát xung tam giác chuẩn. Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.15: Mạch tạo xung tam giác chuẩn Mạch này dùng hai khuếch đại thuật toán A8 và A9, trong đó: A8 là mạch so sánh, A9 là mạch tích phân: tạo thành mạch phát xung chữ nhật và xung tam giác. Bằng việc nối mạch so sánh với mạch tích phân có phản hồi sẽ tạo nên dao động: cung chữ nhật ở đầu ra A8 và xung tam giác ở đầu ra A9. Mạch so sánh có đặc tính trễ A8 lật trạng thái khi :-U8max/R24=U9max/R21 Bởi vì mạch so sánh đối xứng nên xung chữ nhật và xung tam giác cũng đối xứng. Chọn R21=R24= 10 kΩ. thì chu kì xung phát ra: T=4.R23.C10.R21/R24=1/f=1/1000 Ta tính được: R23.C10=2.5.10 s. Chọn C10=2.5nF;R23=100kΩ;Chọn các IC A8,A9 là IC 741 co UVsat=12V, chọn các diot Zener DZ5,DZ6co UVmax=Uz=12V. 4.2.4.4 Mạch so sánh Để tạo thời điểm mở và khóa cho các Thysistor trong mạch lực, cần tiến hành so sánh các tín hiệu điều khiển Uđk với các tín hiệu tam giác Ur lấy từ đầu ra mạch tạo xung tam giác chuẩn. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh Hình 4.16: Mạch so sánh Để tạo tín hiệu cho cả 4 Thysistor làm việc theo luật đóng mở đã định, ở đây dùng 2 mạch so sánh là các IC A5 và A7. Đặc điểm của 2 mạch so sánh này là có cùng tín hiệu tam giác ở đầu vào không đảo, lấy qua các điện trở R26và R32. Tại đầu vào đảo A5 có tín hiệu –Uđk, còn đầu vào đảo A7 lại có tín hiệu +Uđk( nhờ có A6làm việc ở chế độ khuyếch đại =1).Tín hiệu ở đầu ra của mạch so sánh ( Ux1,Ux2) sẽ được đưa tới khối mạch phân xung để điều khiển quá trình đóng mở của 4 van, từ đó ta sẽ đạt được quá trình điều khiển mong muốn. Chọn các linh kiện: Các mạch so sánh nhận và so sánh hai tín hiệu là Uđk với Ur. Để tạo ra 2 kênh điều khiển ta dùng 2 mạch so sánh với 2 IC tuyến tính: A5,A7. Chọn IC A5,A7 loại LM339, IC A6 loại IC741 Điện trở hạn chế điện áp tam giác: R26,R32=4.7kΩ; R30,R31= 10 kΩ.;R27,R33=220 kΩ 4.2.4.5 Mạch phân xung điều khiển Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch phân xung điều khiển Mạch được thiết kế thành hai kênh làm việc giống nhau. Mỗi kênh có tín hiệu vào là xung điều khiển của A5 hoặc của A7. Nguyên lý làm việc của mỗi kênh giống nhau, vì vậy chỉ phân tích nguyên lý làm việc của kênh tín hiệu vào lấy từ A5. Kênh này gồm 3 phần tử NAND : D1,D2,D3 và các transistor : Q1,Q2,Q3. Khi tín hiệu ra của A5 có cực tính dương nghĩa là ở mức logic “1”, tại đầu vào D3 sẽ có “1 – 1” (trong đó một đầu vào luôn có mức “1” nếu tại đầu vào của tín hiệu bảo vệ ở mức “1”). Đầu ra D3 lúc này có mức “0”, Q2 mở, Q3 mở, photo_transistor mở, vì thế ở A có mức “1”. Cùng khi đó tại D1 ở đầu vào có “1 – 1”, đầu ra có mức “0”. Đầu vào D2 có mức “0 – 1”, đầu ra D2 có mức “1” vì thế transistor Q1 khóa, photo_transistor khóa, ở V có mức “0”. Tương tự như vậy, khi đầu ra A5 có mức “0” thì ở A có mức “0” và ở V có mức “1”. Điều này đảm bảo không có trường hợp ngắn mạch 2 cặp van. Với nguyên lý làm việc 2 kênh nhận tín hiệu vào từ A5 và A7 ta có giản đồ biểu diễn thời gian tín hiệu tại đầu ra A, V, U, B như hình vẽ 4.18 và 4.19. Hình 4.18 ứng với trường hợp Uđk< 0: động cơ quay thuận. Nó chỉ rõ tín hiệu tại đầu ra A, V, U, B; dòng qua các van và quá trình dòng điện diễn ra trong động cơ. Nếu Uđk > 0 thì các mạch chia xung sẽ làm việc tương tự nhưng ngược lại so với khi Uđk < 0. Hình 4.19, ta thấy động cơ sẽ nhận được những xung áp có cực tính ngược lại so với trường hợp Uđk <0. Như vậy, điều khiển cực tính của Uđk ta sẽ đảo chiều quay của động cơ. Trong mạch đầu vào logic D3 có mạch R57, C16 để cho mức logic “1” ở dó xuất hiện chậm sau một thời gian nhằm giúp các khóa làm việc tin cậy hơn khi chuyển đổi cho nhau. Hình 4.18 : Uđk < 0 động cơ quay thuận Hình 4.19 : Uđk > 0 động cơ quay ngược Hình 4.18: Đồ thị xung áp khi động cơ quay thuận Trên đồ thị ta có : + UA9 là tín hiệu tam giác lấy ở đầu A9 + UA4 là Uđk < 0: tín hiệu ra của ICA4 hay của bộ điều chỉnh dòng điện + UA6 là tín hiệu đảo của Uđk vì vậy UA6 > 0. Tín hiệu ra UA5 được xác định với UA4 0. Như vậy, các khâu so sánh sẽ cho tín hiệu ra ở A5, A7 có dạng như hình 4.18. Nếu xét trường hợp UA4 = Uđk thì giản đồ điện áp ra A5, A7 có dạng ngược lại Tương tự ta có hình 4.19: Hình 4.19: Đồ thị xung áp khi động cơ quay ngược Ta nhận thấy, tùy vào dấu và giá trị của Uđk mà tín hiệu ra ở A5, A7 sẽ có cực tính và độ rộng xung điều khiển mong muốn và sau khi qua mạch phân xung sẽ tới điều khiển các van transistor để điều khiển tốc độ động cơ. Ta chọn các linh kiện cụ thể như sau: Chọn các photocoupler_transistor loại N32 có các thông số Icm = 125 mA ; Ic/IF =100; IF = 10 – 60 mA Chọn các transistor như sau : + Q1, Q2, Q4, Q5 chọn loại 2SB40 ( Germani_pnp) với các thông số: VCE0 = -40 V và VEB0 = -12 V Icmax = 100 mA; Pcmax = 80 mW β= 100; fmax < 7MHz +Q3, Q6 chọn loại 2SC98 (Silicon-npn) với các thông số: VCB0 = 20 V và VEB0 = 5 V Icmax = 100 mA; Pcmax = 300 mW β= 95; fmax < 3MHz Các transistor này đều làm việc ở chế độ khóa đóng ngắt ( SW ) Chọn nguồn nuôi cho các tầng này là nguồn một chiều 12V Các điện trở có giá trị như sau: R54 = R66 = 2.2 kΩ; R55 = R65 = 4.7 kΩ; R58 = R69 = 1kΩ; R59 = R70 = 2.2 kΩ; R62 = R73 = 560Ω Chọn các logic NAND là loại SN5438 Mạch logic D2, D3 được làm trễ bởi R 57, C16 và R68, C18. Thời gian trễ thường từ 15 – 50 µs. Ta chọn thời gian trễ là 30 µs đủ dể các van chuyển đổi cho nhau một cách an toàn và tin cậy. Ta chọn : R53, R57, R64, R68 = 160 Ω; R52, R63 = 12 kΩ; C15, C16, C17, C18 = 0.01 µF 4.2.4.6 Mạch khuếch đại xung điều khiển Để đảm bảo mở được các van transistor công suất ta phải dùng mạch khuếch đại xung điều khiển. Mạch khuếch đại này dùng 1 tầng khuếch đại bán dẫn đó là transistor Q9, Q10 nguồn nuôi riêng không chung đất với mạch điều khiển và photocouplẻ U = 24 V Hình 4.21a: Mạch khuếch đại xung điều khiển T1 Từ các thông số của van lực T1 đã chọn, ta có: + Dòng collector lớn nhất: Icmax=50A + Sụt áp trên van khi dẫn bão hòa: UCE=1.2V + Hệ số khuếch đại dòng: =10 + Dòng làm việc định mức: Itdm=24A + Dòng làm việc bazơ điều khiển van là: IB = Itdm/β ~ 2.4 A = Iđk Vậy điện trở hạn chế đột biến dòng điều khiển cho Q10 là R80 = En/Iđk = 24/2.4 = 10Ω Q10 làm việc ở chế độ khóa đóng mở, dòng chảy qua Q10 phải lớn hơn Iđk của van lực và tần số đóng cắt phải lớn hơn tần số băm xung f. Vậy chọn Q10 là loại transistor BD266B có mã hiệu và thông số sau : + Dòng collector lớn nhất cho phép: Icmax = 9A + Hệ số khuếch đại dòng: βmin = 50 + Khi hở mạch bazơ: UCB0 = 40 V + Điện áp cực trên CE: UCE0 = 60V + Tần số làm việc giới hạn: fmax 7MHz + Dòng để mở Q10 là: Ib = Iđk / β= 2.4 / 50 = 48mA Chọn Q9 là loại đóng cắt nhanh để tránh hiện tượng ngắn mạch, do đó ta chọn giống Q10 vì có cùng thông số kỹ thuật. Loại transistor BD266B của hãng RAD Tính chọn phần tử quang điện cách ky mạch lực với mạch điều khiển: chọn loại 4N32 có thông số: + Dòng collector lớn nhất: Icmax = 125 mA + Thời gian mở đóng nhanh nhất: tON = 10µs; tOFF = 35 µs + Hệ số truyền đạt: Ic / If = 100 ( trong điều kiện t= 25độC và UCE = 5V) + Dòng qua LED hồng ngoại: If = 10 – 60 mA + Sụt áp và dòng tiêu thụ giữa C và E: UCE8ut = 1V và ICE = 2mA + Điện áp UCE khi hở mạch Bazơ: UCE0 = 110V Khi photo-transistor mở thông cho phép dòng ra lớn nhất là 125 mA. Nhưng hệ số truyền đạt dòng Ic/IF của bộ ghép quang không tuyến tính, dòng Ic không những phụ thuộc vào IF mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ cùng giá trị điện áp UCE, với IF =10mA; 10V<UCE<30V, tra toán đồ của 4N32 ta được dòng Icmax = 100 mA. Chọn UCE = 24V với sụt áp UCEsat = 1V. Ta tính được điện trở hạn chế dòng cực gốc cho transistor Q10 là: Rhc3 = 23V / 0.048 A = 500Ω Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại xung điều khiển các van T2, T3, T4 ở nhóm U, B, V và việc tính toán các thông số của mạch tương tự như đối với nhóm A được biểu diễn ở các hình 4.21b; 4.21c; 4.21d Hình 4.21b: Mạch khuếch đại xung điều khiển T2 Hình 4.21c: Mạch khuếch đại xung điều khiển T3 Hình 4.21d: Mạch khuếch đại xung điều khiển T4 4.2.5 Thiết kế mạch đo lường các tín hiệu 4.2.5.1 Mạch đo lường dòng điện Mạch đo lường dòng điện có nhiệm vụ đo dòng diện 1 chiều ở phần ứng động cơ và đưa ra tín hiệu Ufi tỷ lệ với Iư về để tổng hợp với các tín hiệu đặt dòng điện để đưa ra tín hiệu điều khiển mở các van Transistor lực. Ngoài các yêu cầu về độ chính xác tĩnh, còn có yêu cầu về thời gian tối thiểu để không gây ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống điều chỉnh. Trong các hệ thống truyền động điện 1 chiều hay sử dụng các phương pháp đo dòng điện 1 chiều sau: Đo trực tiếp bằng Shunt đo dòng: Là phương phápđơn giản nhất, nhược điểm của phương pháp này là tín hiệu thường bé, không cách ly được giữa mạch lực và mạch điều khiển Đo bằng Shunt dòng và đưa thêm bộ biến điệu, bộ chỉnh lưu nhạy pha, cách ly bằng biến áp: Phương pháp này đạt được độ chính xác cao, tuy nhiên mạch đo khá phức tạp Đo dòng điện bằng cách sử dụng các phần tử quang bán dẫn, cách ly được mạch điều khiển và mạch lực, dùng biến điệu bề rộng xung. Trong trường hợp này, để đơn giản, chọn phương pháp đo trực tiếp bằng sun dòng, không cách ly vì điện áp mạch lực cũng không cao lắm. Để khắc phục tín hiệu ra quá nhỏ, dùng thêm các mạch khuyếch đại vi sai và IC tuyến tính. Sơ đồ nguyên lý như hình 4.22 Sun dòng Rs mắc nối tiếp với động cơ. Điện áp rơi trên Rs sẽ tỷ lệ với dòng điện phần ứng, điện áp này nối tới điểm 1 , 2 trên mạch nguyên lý. Tùy vào cực tính của áp phản hồi dòng ( phụ thuộc vào chiều dòng điện phần ứng động cơ) mà điện áp ra của 2 cặp bóng thuận Q21 , Q22 và ngược Q19 , Q20 sẽ có các giá trị Ui+ và Ui-, Dòng điện qua phần cứng càng lớn thì |Ưi+| và |Ui-| càng khác nhau do đó tín hiệu vào A10 sẽ có giá trị lớn hơn, Khi dòng phần ứng bằng 0 thì |Ui+| = |Ui-| , dẫn đến tín hiệu vào A10 bằng 0. Theo nguyên lý làm việc, ta tính chọn được các linh kiện như sau: Hình 4.22: Mạch đo dòng điện phản hồi Chọn sun dòng Rs = 10 mΩ. Sụt áp trên sun là : Usđm = Rs . Iđ = 0.5V Chọn cặp trasistor Q19 , Q20 là loại BC182L (thông số ở phụ lục) Chọn cặp trasistor Q19 , Q20 là loại BC212L (thông số ở phụ lục) chọn IC A10 la loại µA741 (thông số ở phụ lục) Hệ số khuyếch đại =100 ==> Mạch lọc R = 1 KΩ ; C = 1µF → Ti = 0.001 s .4.2.5.2 Mạch đo lường tốc độ Mạch đo lường tốc độ có nhiệm vụ đo tín hiệu tốc độ trên trục động cơ và biến đổi nó thành tín hiệu điện áp. Để đảm bảo độ chính xác trong hệ tự động điều chỉnh đòi hỏi mạch độ đo lường tốc độ phải có độ chính xác tĩnh cao và thời gian trễ của mạch nhỏ và phải đo được cả 2 chiếu quay của động cơ. Nười ta dùng các phương pháp đo tốc độ sau: Mát phát tốc 1 chiều: Ưu điểm là tín hiệu ra của máy là 1 chiều, tuy nhiên nó có nhược điểm là cần có vành góp nên ở tốc độ thấp việc chuyển mạch ở vành góp là rất khó khăn, ở tốc độ cao điện áp rơi vào vùng từ trễ của mạch từ ( vùng phi tuyến) gây nên sai lệch tốc độ Máy phát tốc xoay chiều : Ưu điểm là máy không cần vành góp nên được dùng nhiều trong các môi trường khắc nghiệt, tuy nhiên nó có nhược điểm là không phát hiện được chiều quay của động cơ, tín hiệu ra có sóng hài bậc cao lớn và phải thông qua chỉnh lưu. Mạch cầu đẳng trị: được mắc trực tiếp vào phần ứng của động cơ, nếu mạch cầu là cân bằng thì điện áp đầu ra tỷ lệ với sức điên động của động cơ E = KØ Mạch có ưu điểm là đơn giản . Tuy nhiên nhược điểm là phải thêm điện trở vào mặc phần ứng nên làm tăng tổn thất, giảm độ cứng đặc tính cơ Đo tốc độ quay bằng xung – số : phương pháp này có độ chính xác cao, đo được cả 2 chiều của động cơ, cho ra cả 2 loại tín hiệu là tương tự và số. Trong trường hợp này, để đơn giản, chọn phương pháp đo bằng máy phát tốc 1 chiều. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ: Hình 4.23: Mạch đo phản hồi tốc độ Chọn phát tốc FT có điện áp phát 1 chiều Uph = 100V Chọn Rp 20Ω, qua mach cầu đối xứng → Ufw= 10V Tw = 0.001s = 2.Rhc.C;==> Chọn Rhc=50Ω; C=1µF 4.2.5.3 Bộ đo vị trí Mạch đo lường vị trí là mạch vòng kín và đóng vai trò rất quan trọng vì nó quyết định sự chính xác của hệ thống. Có nhiều loại thiết bị đo được chế tạo mà sự khác nhau chủ yếu do giải pháp kĩ thuật linh kiện. Có thể chia các hệ thống đo lường thành các cách sau đây: * Theo hình thức truyền động, từ đó trích lấy các giá trị đo theo kiểu tịnh tiến hoặc quay * Theo hình thức định lượng giá trị đo: kiểu số hoặc kiểu tương tự * Theo nguyên tắc đo: kiểu gia số hoặc kiểu tuyệt đối. Dưới đây ta sẽ phân tich hệ thống đo quãng đường dịch chuyển quay va tịnh tiến Với hệ thống đo kiểu tịnh tiến, nghĩa là với thước đo thẳng ta đạt được độ chính xác cao nhất. Đó là do hệ thống đo kiểu tịnh tiến không cần đến một khâu truyền dẫn cơ khí trung gian nào giữa máy và hệ thống đo. Ngay cả vit-me bàn máy và bộ dẫn động không cần có độ chính xác cao nhất, quá trình đo không phụ thuộc lực tác động trên trục dẫn. Với hệ thống đo lường dịch chuyển kiểu quay (hệ thống đo gián tiếp) đoạn đường dịch chuyển sẽ được đo thông qua số vòng quay hoặc mootj bộ truyền thanh răng – bánh răng. Do có sự truyền động của các cơ cấu khí trung gian mà hệ thống đo kiểu quay không có được số vạch chia lớn và chính xác cao như thước đo thẳng. Phổ biến nhất là sử dụng trục vit-me bàn máy trục đo, như vậy yêu cầu với trục vit-me phải có độ chính xác cứng vững cao, giảm các hiệu ứng bước nhảy do hệ số ma sát trên từng đoạn dịch chuyển không đều nhau hoặc do độ cứng vững của chi tiết máy không đảm bảo đăc biệt khi trượt. Hiệu ứng này gây ra các lỗi chỉ thị không mong muốn trên thang đo, ảnh hưởng đến độ chính xác định vị. Cụm dẫn động cũng phải phủ được các khe hở điều chỉnh vit-me đai ốc và bản thân chúng phải có độ mòn nhỏ. Do vậy, những yêu cầu kỹ thuật tren chỉ thỏa mãn khi dùng vit=me đai ốc bi. Để đảm bảo độ tác động nhanh, độ chính xác cho hệ thống và vừa để đơn giản, ta chọn phương án đo vị trí bằng biến trở sử dụng trục vitme – bàn máy trục: Hình 4.24: Nguyên lý mạch đo vị trí + Điện áp đầu ra :Ufx=Urx=Kx.x +Chọn giá trị của biến trở là Rv=1kΩ +Kx=0.01 : hệ số khuyếch đại mạch đo vị trí, 1mm tương ứng 0.01V. Hệ dịch chuyển giới hạn 1m tương ứng 10V=Utxmax. +Mạch lọc RC có hằng số thời gian lọc Tx=0.001s RC=Tx=0.001s=> Chọn R=1kΩ; C=1µF Chương 5: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CỤM BĂNG TẢI 5.1 Khái quát về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID ngày càng được khia thác một cách triệt để hơn về mọi mặt để ứng dụng vào thực tiễn. Ngày nay bộ điều khiển PID thực sự là bộ điều khiển động thích ứng với mọi loại đối tượng từ có mô hình tới không có mô hình, từ mô hình liên tục tới mô hình rời rạc. Việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển được thực hiện một cách dễ dàng, do đó có khả năng thay đổi đặc tính động và đặc tính tĩnh của hệ thống điều khiển tự động theo mong muốn. Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bởi phương trình: Trong đó : e(t) tín hiệu vào( tín hiệu sai lệch) u(t) tín hiệu ra của bộ điều khiển( tín hiệu điều khiển) kp hệ số khuếch đại của luật điều khiển tí lệ( luật P) TD hằng số thời gian vi phân( luật D) TI hằng số thời gian tính phân( luật I) Bộ điều khiển PID thường dùng trong hệ thống điều khiển đối tượng theo nguyên lý hồi tiếp, vì nó rất đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Nhiệm vụ của nó là đưa sai lệch hệ thống e(t) về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. Bộ điều khiển PID được cấu thành bởi ba luật điều khiển mà mỗi luật cá mặt mạnh riêng: + luật P: khuếch đại chính xác tín hiệu điều khiển u(t) chùng nào còn sai lệch e(t)t thông qua hệ số khuếch đai kp + luật I: triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh khi sai lệch e(t) chưa bằng 0 nhờ hằng số thời gian tính phân TI + luật D: đáp ứng nhanh với sự thay đổi của tín hiệu sai lệch e(t) thông qua hằng số thời gian vi phân TD Luật điều khiển PID được biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt: Ngày nay khi kĩ thuật số phát triển mạnh mẽ và toàn diện thì bộ PID càng được ứng dụng triệt để hơn trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau. Một trong những minh chứng cụ thể là bộ PID tự chỉnh( thích nghi), bộ điều khiển PID mờ có khả năng tự thay đổi, chỉnh định lại các thông số của nó cho phù hợp với sự thay đổi không biết trước của hệ thống nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng đặt ra. Ngày nay bộ PID đã được số hóa và thực hiện bằng vi xử lý, vi điều khiển. Trong miền rời rạc, PID số có dạng: trong đó: Với bộ điều khiển PID điều quan trọng với người thiết kế là phải nắm vững các phương pháp chọn luật điều khiển và chọn tham số. Việc chọn luật điều khiển phải tùy theo từng đối tượng, hệ thống điều khiển cụ thể vsf các chỉ tiêu chất lượng đề ra: + Đối với hệ thống có độ ổn định cao, để tăng độ chính xác điều khiển ta chọn bộ điều khiển P + Khi bản thân đối tượng có thành phần tính phân ta chọn luật PD + Khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi chậm và bản thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi sai lệch e(t) ta chọn bộ điều khiển PI Sau khi đã chọn bộ điều khiển thì ta phải xác định tham số cho bộ điều khiển đó bằng các phương pháp như: tối ưu môdul, tối ưu đối xứng, Ziegle-Nichols..... 5.2 Sơ đồ khối cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí cụm băng tải 5.3 Mô tả tóan học động cơ điện và bộ băm xung áp một chiều 5.3.1 Hàm truyền của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Hình 5.1: Sơ đồ thay thế của động cơ một chiều kích từ độc lập Tín hiệu vào là điện áp trung bình sau bộ biến đổi xung áp Ud = Uu Phương trình cân bằng điện áp động cơ: Trong đó: Ed = KØ= KØn K = pN/2πa – hệ số tỷ lệ sức điện động động cơ Phương trình cân bằng mô men J = Md - Mc trong đó: Md: Mômen do động cơ sinh ra trên trục. Mc: Mômen phụ tải quy đổi về trục động cơ. J: Mômen quán tính của trục động cơ và phụ tải quy đổi về trục động cơ Ta có: Md = Mđt = KØIu Do vậy ta có hệ phương trình mô tả động cơ viết dưới dạng tóan tử Laplace Uu(p) = KØ(t) + RuIu(p) + LuIu(p).p J.p.(p) = KØIu(p) – Mc(p) Uu(p) = KØ(p) + (Ru + pLu).Iu(p) Hình 5.2: Sơ đồ mô tả hàm truyền động cơ một chiều kích từ độc lập trong đó: Tu = Lu/Ru : hằng số thời gian mạch điện từ của động cơ Tc = JRu/ : hằng số thời gian điện cơ Kđ = 1/ KØ : hệ số khuếch đại động cơ Khi không tải Mc = 0, hàm truyền đật của động cơ là khâu bậc 2: Wdc(p) = 5.3.2 Hàm truyền đạt bộ băm xung áp một chiều Các tín hiệu vào và ra của bộ biến đổi: - Udk : tín hiệu vào điều khiển lấy từ bộ điều chỉnh dòng điện Ud : tín hiệu ra của bộ băm xung là điện áp trung bình đặt vào động cơ Bộ biến đổi gồm có: Phần mạch lực dùng các van Transistor mắc theo sơ đồ cầu Phần mạch điều khiển được xây dựng theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung và cấu trúc mạch theo phương pháp điều khiển 2 kênh cho mooix cặp van chẵn lẻ, tương ứng với chiều quay thuận và nghịch của động cơ. Điện áp trung bình đặt lên động cơ là: trong đó: T – là chu kì phát xung chuẩn, chọn T = 1ms; T = 1/f = 1/1000(s) tx – độ rộng xung điều khiển 0 < tx < T EN – điện áp nguồn 1 chiều EN = 110V Bộ biến đổi băm xung một chiều là một mạch điều chỉnh điện áp điều chế độ rộng xung có tính chất phi tuyến và không dừng. Việc mô tả tóan học rất phức tạp nên chỉ có thể mô tả gần đúng bằng phương pháp biến thiên các đại lượng nhỏ cùng mô hình tuyến tính hóa. Nhận thấy ứng với mỗi khoảng biến thiên của tín hiệu điều khiển , tại thời điểm phát xung mở cho mỗi cặp van là thời điểm mà tại đó tín hiệu Udk = Ur( điện áp chuẩn) được gọi là thời điểm chuyển mạch. Giả thiết bỏ qua quá trình chuyển mạch thì bộ biến đổi xung áp được mô tả như hình 5.3: Hình 5.3: Sơ đồ khối mô tả khâu băm xung áp Vì có tính chất xung nên khi tín hiệu điều khiển biến thiên một lượng nhỏ thì sau một khoảng thời gian ( T – tx ) cặp van tương ứng mới mở. Độ biến thiên lớn nhất của Uđk bằng biên độ lớn nhất của điện áp răng cưa = Vậy thì khoảng thời gian trễ lớn nhất là: (T – tx )max = T/2 Do đó có thẻ mô tả bộ biến đổi xung áp xung áp bằng một hàm trễ; bằng khai triển Mc Larin và bỏ qua các vô cùng bế bậc cao ta có hàm truyền đạt của bộ biến đổi xung áp một chiều là một khâu quán tính: Và hệ số khuếch đại được tính bằng biểu thức Tiính gần đúng theo các giá trị lớn nhất ta có = Umax = 10v thì = 1 và = EN = 110V = 110/10 =11 Hằng số thời gian băm xung bằng nửa chu kì điều chế xung: Tbx = T/2 = ½.f = 1/ 2.1000 = s 5.4 Tổng hợp bộ điều chỉnh mạch vòng dòng điện: 5.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ Hình 5.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện trong đó: Uid: là tín hiệu đặt cho dòng điện Tf: là hằng số thời gian mạch lọc Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học lớn hơn rất nhiều hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì có thể cóiức điện động động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện tức là coi E= 0 hay = 0 Hàm truyền của mạch vòng dòng điện hay của đối tượng điều chỉnh có dạng: Trong đó các hằng số thời gian Tf, Tdk, Tbx, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư . Do đó ta đặt Ts = Tf + Tdk + Tbx + Ti Như vậy ta có: với Ts << Tư Theo chuẩn tối ưu môdul ta có hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh dòng điện : (5-3) trong đó : (chon a = 2) là hàm truyền của chuẩn tối ưu môdul. thay vào (5-3) ta có: Chọn = ta được: Như vậy bộ điều chỉnhdòng điện là một khâu tỷ lệ - tích phân PI. Khâu này sẽ đảm bảo được độ tác đọng nhanh, nhạy, chính xác của bộ điều khiển. Thay số: + Mạch lọc có Tf = 0.0001 rất nhỏ có thể bỏ qua + Bộ điều khiển và băm xung áp có các hệ số Tđk = 0.001s ; Kbx = 11 ; Tbx = 0.0005s + Xensơ đo dòng điện Si: Ki = 0.42 ; Ti = 0.001s Do đó Ts = Tf + Tdk + Tbx + Ti = 0.0001 + 0.001 + 0.0005 + 0.001 = 0.0026s Thay số vào bộ điều chỉnh PI ta có: = Cuối cùng hàm truyền đạt dòng điện thu được là: = 5.4.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến ảnh hưởng của sức điện động động cơ và biện pháp khắc phục Hình 5.5a: Mạch vòng dòng điện có tính đến ảnh hưởng của s.đ.đ Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta có các phương trình: U(p) = Ru.Iu(p).(1+p.Tu) + K (5.4.2a) KØ. Iu(p).- Mc (p) = J.p. (5.4.2b) Từ 5.4.2a ta có Thay vào 5.4.2b ta được Biến đổi ta được: trong đó - hằng số thời gian cơ học đặt - thành phần dòng điện động - thành phần dòng điện tĩnh ==> Như vậy ta có thể thay thế sơ đồ 5.5a bằng sơ đồ 5.5b dưới đây: Hình 5.5b: Mạch điều chỉnh dòng điện có tính đến ảnh hương s.đ.đ động cơ Khi không tải (Mc = 0) hàm truyền của đối tượng điều chỉnh như sau: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdul ta tìm được bộ điều chỉnh dòng điện có dạng: Chọn = ==> Thay số Tc = 0.59 ; Tu = 0.096 ; Kbx = 11 ; Ki = 0.42 ; Ru = 0.96 ; Ts = 0.0026 ta thu được bộ điều chỉnh dòng khi tính đén sức ảnh hưởng s.đ.đ của đông cơ : Trong trường hợp nếu thông số của đối tượng thỏa mãn Tc >> 4Tu nghĩa là Tc.Tu.p2+Tc.p+1=(1+T1.p).(1+T2.p), thì có thể dùng 2 bộ điều chỉnh PI nối cấp nhau sao cho đảm bảo đúng hàm truyền . Với các hệ thống yêu cầu không cao lắm về chất lượng, có thể dùng một bộ điều chỉnh PI để bù hằng số thời gian và chấp nhận sai lệch tĩnh của hệ thống Phương pháp bù ảnh hưởng của s.đ.đ của động cơ Sơ đồ mạch bù: Hình 5.6: Bù ảnh hưởng s.đ.đ động cơ Khi Uiđ(p) = 0 và E(p) 0 ta có Để Uiđ không phụ thuộc vào E(p) thì 1 - W1(p)WB(p) = 0 ==> WB(p) = 1/W1(p) Theo sơ đồ mạch vòng điều chỉnh ta có: W1(p) = RI(p).WBBD(p); W2(p) = ; W3(p) = WB(p) = RI(p) = Vậy hàm truyền đạt khâu bù có dạng( tính theo bộ điều khiển RI) : WB = 5.4.3 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh dòng điện Khâu điều chỉnh dòng điện có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển để mở các van Transistor của bộ băm xung bằng cách so sánh tín hiệu đặt dòng điện Uid lấy từ đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ với tín hiệu phản hồi dòng phần ứng. Đồng thời duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá độ. Phần trước ta đã tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng điện là khâu PI. Do đó sơ đồ mạch điện nguyên lý được trình bầy như sau: Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh dòng điện Trong sơ đồ này, đầu ra của bộ điều chỉnh được hạn chế bởi 2 điôt Zener Đz3 và Đz4 để đảm bảo tín hiệu điều khiển không vượt quá trị số cực đại của điện áp răng cưa. Hàm truyền PI của bộ điều chỉnh dòng điện: Do đó, ta tính được: Tính chọn các linh kiện chủ yếu: Chọn C2 = 1 mF Þ Kp = 3,84 Þ R14 = 3,84.R11 = 96 KW; R12 = R11 Chọn điốt Zener loại có điện áp ngưỡng 10V (thông số có trong phụ lục) Chọn IC A4 là loại mA741 (thông số có trong phụ lục) 5.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh mạch vòng tốc độ 5.5.1 Xác định bộ điều chỉnh tốc độ theo nguyên lý tối ưu môdun Trong phần này, ta sẽ điều chỉnh bộ điều chỉnh tốc độ Rw. Bộ điều chỉnh này được tổng hợp từ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tùy theo yêu cầu công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rw có thể được tổng hợp theo tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp tổng quát, hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn phía tín hiệu nhiễu loạn. Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ được thể hiện trên hình 5.8 Hình 5.8: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong sơ đồ, HCD là phần tử phi tuyến hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Sensor tốc độ Sw đóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ. Hàm truyền của nó là một khâu quán tính bậc nhất. trong đó: Kw - Hệ số khuếch đại Sensor tốc độ Tw - Hằng số thời gian của Sensor tốc độ Trong phần trên ta đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện, phần này ta sẽ sử dụng kết quả đó để xác định Rw. Hàm truyền mạch vòng dòng điện, bỏ qua các vô cùng bé bậc cao, như sau: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ như hình 5.9 dưới đây: Hình 5.9 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hàm truyền của mạch vòng tốc độ (đối tượng điều chỉnh) có dạng: (5 - 4) Đặt 2Ts = 2Ts + Tw ta có: (5 - 5) Theo tiêu chuẩn tối ưu môdun ta có: Þ Chọn Td = 2T's ta thu được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu P: (5 - 6) Thay số: Kw = 0,125; Tw = 0,001; Tc = 0,59; Ru = 0,96; Kf = 0,64 Ts = 0,0026s; Ki = 0,42 Ta tính được: 4T’s = 2Ts + Tw = 0,011 Do đó Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ sẽ là: (5 - 7) 5.5.2 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh tốc độ Sơ đồ mạch điện nguyên lý dùng IC khuếch đại thuật toán được trình bầy trên hình 5.12 dưới đây: Hình 5.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh tốc độ trong đó: Uwđ: tín hiệu đặt tốc độ Uw: tín hiệu phản hồi tốc độ lấy từ máy phát tốc Un: điện áp nguồn Un = ± 12V Uiđ: tín hiệu ra bộ điều chỉnh tốc độ Với các hệ truyền động ta thường phải dùng thêm khâu hạn chế tín hiệu đặt cho dòng điện bởi khi bắt đầu khởi động thì tín hiệu phản hồi tốc độ bằng 0, do đó toàn bộ điện áp đặt cho tốc độ được đưa tới đầu vào khâu điều chỉnh tốc độ nên tín hiệu đầu ra đặt cho dòng điện sẽ rất lớn làm dòng điện phần ứng sẽ rất lớn, đó là điều ta không mong muốn. Trong sơ đồ bộ điều chỉnh tốc độ ở trên, ta sử dụng mạch hạn chế bao gồm 2 điôt Đ1, Đ2 và hai biến trở thay đổi được giá trị thông qua các con trượt. Mạch này có đặc tính hạn chế như sau: Hình 5.13: Đặc tính khâu hạn chế dòng điện Với động cơ đã cho có dòng phần ứng định mức là 24A lấy mức hạn chế của tín hiệu đặt dòng điện là 10V ® Với nguồn Un = 12V ® ®a1= 0,45 Tương tự ta tính được a2 = 0,45 trong trường hợp Uiđ < 0 Nếu dòng tải có xu hướng tăng lên thì tín hiệu phản hồi dòng điện sẽ vượt quá trị số này, tín hiệu sai lệch dòng điện sẽ giảm đi làm điện áp đầu ra của bộ băm xung giảm do đó dòng tải sẽ tự động giảm xuống. Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ: Từ ; chọn kw = 0,1 Þ Chọn R2 = 10 KW Þ R1 = 10.0,8 = 8 [KW] Ta có: Kp = 120,15 Từ Þ R3 + R4 = Kp.R1 = 120,15.8 » 962 [KW] Chọn R = R5 = R6 = 10 KW Diôt chọn loại B-10 có các thông số: Dòng trung bình: Itb = 10 A Điện áp ngược lớn nhất: Ungmax = 100 ¸ 1000V Sụt áp khi dẫn: DU = 0,7 V Chọn IC A1, A2 loại mA741 (có các thông số cho trong phụ lục) 5.6 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí 5.6.1 Nguyên tác xây dựng hệ điều chỉnh vị trí Hệ thống điều khiển vị trí được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, dây chuyền cắt giấy, cắt vải ... Yêu cầu của hệ điều chỉnh vị trí là phải điều chỉnh góc quay của trục động cơ tương ứng với dịch chuyển một quãng đường hay một góc đặt trước. Vị trí đặt trước này ( đại lượng đặt jđ, Xđ ) có thể là hằng số hay theo một quy luật định sẵn. Thông thường, lượng điều khiển là một hàm của thời gian. Nó có thể là 1 hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính, hàm parabol hay hàm điều hòa như hình vẽ 5 – 14. Hình 5.14: Lượng điều khiển Trong hệ điều khiển vị trí, chỉ tiêu chất lượng được quan tâm nhiều nhất là độ tác động nhanh của hệ. Điều này liên quan đến giản đồ tối ưu về tốc độ w(t), gia tốc e(t), vị trí j(t). Để xây dựng hệ điều khiển vị trí người ta dựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh bằng việc nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động. Nếu lượng điều khiển là hàm nhảy cấp ta có giản đồ w(t), e(t), j(t) và quỹ đạo pha tối ưu trên hình 5.15 dưới đây: Hình 5.15 Đối với giản đồ w(t), e(t) và j(t) ta có: Với 0 < t < T/2 thì w(t) = emaxt j(t) = 1/2emaxt*t Với T/2 < t < T thì w(t) = emax(T- t) j(t) = 1/2emax(T- t*t/2 – T*T/4) Từ đây ta tính được: wmax|t = T/2 = emaxT/2 = trong đó thời điểm bắt đầu hãm là t = T/2 ứng với w = wmax Đối với quỹ đạo pha chuyển động: đường nét đậm là quỹ đạo chuyển hay còn được gọi là đường cong hãm. Đường 1 và đường 3 ứng với độ dài dịch chuyển nhỏ với sai lệch vị trí Dj1(0) và Dj3(0), đường 2 ứng với độ dài dịch chuyển lớn cần thời gian chạy ổn định với w = wmax Nếu lượng điều khiển là hàm tuyến tính ta có giản đồ w(t), e(t), j(t) và quỹ đạo pha tối ưu trên hình 5.16 Hình 5.16: giản đồ j(t), M(t), jM(t), w(t) và quỹ đạo pha chuyển động Như vậy dựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh theo thời gian, ta đưa ra sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí chiều dài khổ vải đặt trước như hình 5.17 dưới đây. Nó bao gồm mạch vòng điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí với các bộ điều chỉnh dòng điện Ri, tốc độ Rw và vị trí Rx, khâu hạn chế tốc độ HCTĐ Hình 5.17: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh vị trí 5.6.2 Xác định bộ điều chỉnh vị trí theo nguyên lý tối ưu môđun Sau khi tính toán, biến đổi sơ đồ khối trên ta thu được sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh vị trí như hình dưới đây: trong đó: Kx, Tx: hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của bộ đo lường vị trí Ktv: hệ số khuếch đại của hộp giảm tốc và cơ cấu trục vít – đai ốc để đặt chiều dài khổ vải cần cắt Rth(p) = 1/(1+T.p): hàm truyền đạt của bộ tạo tín hiệu điều khiển tốc độ ta mong muốn Ta có: Ktv = 0,1; Kx = 0,01; Tx =0,001[s] Chọn T = 0,01[s] thay vào trên và bỏ qua các vô cùng bé bậc cao Ta có sơ đồ khối cấu trúc tương đương như sau: Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh là: = = Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao, áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun, ta có khâu Rx(p) là bộ điều chỉnh PD có dạng: 5.6.3 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh vị trí Tín hiệu từ mạch đo vị trí Ufx và tín hiệu đặt ngưỡng Uđx được đưa tới mạch điều chỉnh vị trí thực chất là một khâu P lắp song song Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh vị trí Tín hiệu đặt vị trí được đưa vào đầu vào không đảo, còn tín hiệu thực đưa vào đầu vào đảo. Nhằm tăng độ nhạy của bộ điều chỉnh này với sai lệch vị trí đặt, ta lắp thêm khâu vi phân ở đầu tín hiệu phản hồi vị trí. Tín hiệu đầu ra được hạn chế bởi hai điôt Zener Dz1 và Dz2 để điều chỉnh tín hiệu ra phù hợp với tầng tiếp theo. Nếu vì lý do nào đó mà sai lệch vị trí tăng lên quá cao thì tín hiệu đầu ra sẽ lớn làm cho điôt Dz1 hoặc Dz2 thông. Do đó, điện áp đầu ra bị hạn chế bằng điện áp sụt trên hai điôt Zener. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí: Từ sơ đồ mạch điện nguyên lý, ta có: ; Tính chọn các linh kiện chính: Chọn IC Ax1 là khuếch đại thuật toán mA741 (có thông số ở phụ lục) Rx1 = 56 KW; Rx2 = 22 KW; Cx1 = 22 nF Rx3 = 56 KW; Rx4 = 56 KW; Rx5 = Rx6 = 520 KW Điôt Zener có điện áp ngưỡng 10 V 5.6.4 Khâu tạo tín hiệu đặt độ dài khổ vải Độ dài khổ vải hay vị trí của chuyển động được đặt thông qua mạch tạo tín hiệu đặt, nhờ đó độ dài khổ vải có thể thay đổi được tùy theo yêu cầu. Tín hiệu đặt nhỏ, ta dùng mạch khuếch đại để đưa tín hiệu đủ lớn cho tầng tiếp theo. Sơ đồ mạch tạo tín hiệu đặt vị trí (độ dài khổ vải) Sơ đồ có một mạch khuếch đại đảo nối tiếp với một khâu lặp áp nhằm đưa đúng dấu điện áp điều khiển. Hệ số khuếch đại có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh điện trở R3 và R6. Để đổi chiều quay của động cơ ta thay đổi cực tính của điện áp vào Utv bằng cách dịch chuyển con trượt trên biến trở về phía nguồn –12V Chọn IC Ađ1,Ađ2 là loại mA741 (có thông số ở phụ lục) R1 = R4 = R5 = 10 [KW] R2 = R3 = 20 [KW] Rb1 = Rb2 = 8 [KW] 5.7 Sơ đồ mô phỏng simulink hệ thống điều khiển vị trí cụm băng tải Sơ đồ mô phỏng simulink hệ thống điều khiển vị trí cụm băng tải và các tín hiệu đầu ra được trình bày như sau: Kết quả mô phỏng với tín hiệu đặt là Uzđ = 0,1 V; 0,2 V như sau: Dạng ra của dòng điện Dạng ra của dòng điện khi tín hiệu đặt Uxđ = 0,1V khi tín hiệu đặt Uxđ = 0,1V Dạng ra của tốc độ Dạng ra của tốc độ khi tín hiệu đặt Uxđ = 0.1V khi tín hiệu đặt Uxđ = 0.2V Dạng ra của vị trí Dạng ra của vị trí khi tín hiệu đặt Uxđ = 0.1V khi tín hiệu đặt Uxđ = 0.2V Nhận xét: Qua mô phỏng với tín hiệu đặt là độ dài khổ vải, ta thấy hệ thống vị trí đã tổng hợp đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng cũng như công nghệ đặt ra. KẾT LUẬN Sau hơn ba tháng thực hiện đồ án cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Phạm Công Ngô cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn điều khiển tự động và các bạn sinh viên, chúng em đã hoàn thành đồ án “ Nghiên cứu và tổng hợp hệ thống điều khiển dây chuyền cắt vải mành tại công ty Cao su SAO VÀNG Hà Nội”. Đồ án đã đạt được một số kết quả như sau: Đưa ra cái nhìn tổng quát về công nghệ sản xuất lốp ô tô tại nhà máy Công ty Cao su SAO VÀNG Hà Nội. Khảo sát và nắm được nguyên lý hoạt động của dây chuyền cắt vải mành RC – BH1 Thiết kế được hệ thống điều khiển PLC S7 – 200 cho dây chuyền cắt vải mành RC – BH1 Thay thế động cơ xoay chiều của băng tải bằng động cơ một chiều điều khiển bằng phương pháp băm xung áp. Thiết kế và tính chọn các phần tử của mạch lực, mạch điều khiển bộ băm xung áp. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh cho hệ thống điều khiển mới tại cụm băng tải và thực hiện mô phỏng băng SIMULINK của MATLAB. Qua việc mô phỏng nhận thấy hệ thống điều khiển vị trí tại cụm băng tải đã đáp ứng được yêu cầu về chất lượng và công nghệ đề ra. Qua việc quan sát trạng thái các đèn LED nối với PLC, ta thấy chương trình điều khiển nạp cho PLC đã chạy đúng theo yêu cầu công nghệ đặt ra. Tuy nhiên do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên khác dể đồ án được hoàn thiện. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Công Ngô cùng các thầy cô giáo trong bộ môn và toàn thể các bạn sinh viên! Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2008 Ngô Hoàng Hải Vũ Đại Dương Tài liệu tham khảo TSKH Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển truyền động điện thông minh” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 2002 Phạm Công Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 1992 ALLWELL “Hướng dẫn vận hành máy cắt vải mành AW – HB – 1A” Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh, “Tự động hóa với SIMANTIC S7-200” Nguyễn Bính, “Điện tử công suất” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 1996 Nguyễn Văn Liễn, Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, “Điều chỉnh tự động Truyền động điện” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 1999 Cyril W.Lander, Lê Văn Doanh dịch, “Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 1997 Viện thiết kế máy năng lượng và mỏ, “Hướng dẫn vận hành máy cắt vải nằm CVN14” Dương Minh Trí, “Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn” Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật – 1999 Semicon indexs volume 1 – International transistor index 1999.