Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã:
Học viên: TÔN THẤT ĐỒNG
Ngƣời HD Khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH
Học viên : TÔN THẤT ĐỒNG
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : TS. TRẦN XUÂN MINH
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Trần Xuân Minh
HỌC VIÊN
Tôn Thất Đồng
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây
điện, bao bì… đƣợc xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng với sự nỗ lực
cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa
nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì thế, tác
giả rất mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và
đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả luận văn
Tôn Thất Đồng - iii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Tôn Thất Đồng
Sinh ngày 08 tháng 02 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trƣờng đại học kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nghuyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn
băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” do TS. Trần
Xuân Minh hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu
1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần: 5
1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 8
1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 11
1.3. Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 14
1.3.1. Khái niệm sức căng của băng vật liệu 14
1.3.2. Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu 15
1.3.3. Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu 17
1.4. Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu: 22
CHƢƠNG 2: 30
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 30 - v -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1. Tổng quan về truyền động điện một chiều 30
2.2. Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ 30
2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đƣờng đặc tính tĩnh. 32
2.2.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa. 33
2.2.1.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa 34
2.2.2 Chất lƣợng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 35
2.2.2.1. Mô hình toán học trạng thái động 35
2.2.2.2. Phân tích quá trình khởi động 35
2.2.2.3. Tác dụng của hai bộ điều chỉnh. 38
2.3. Tổng hợp hệ thống truyền động hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống tháo-
quấn băng vật liệu 38
2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 40
2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 40
3.1.3. Nguyên lý điều khiển mờ 65
3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 65
3.1.5. Các bộ điều khiển mờ 69
3.1.5.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 69
3.1.5.2. Bộ điều khiển mờ động 69
3.1.6. Hệ điều khiển mờ lai 71
3.2. Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu 72
3.2.1. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 72
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 73
3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 - vii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
L (m)
Độ dài đoạn băng vật liệu
W (m)
Độ rộng của đoạn băng vật liệu
P (N)
Lực kéo căng
h (m)
Độ dày của băng vật liệu
(N/m)
0
(m)
Bán kính của lõi tang quay
J
0
(Kg.m
2
)
Mô men quán tính của lõi tang quay
u0
R
,
r0
R
(m)
Bán kính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u0
J
,
r0
J
(Kg.m
2
)
Momen quan tính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u
R
,
r
(rad/s)
Vận tốc quay trục tang tháo quấn và trục tang quấn lại
R
ω
Bộ điều chỉnh tốc độ
R
i
Bộ điều chỉnh dòng điện
n (vòng/phút)
Vận tốc quay
Mc (N.m)
Mô men cản
VF, VR
Hai bộ chỉnh lƣu có điều khiển mắc song song ngƣợc - viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
GVR, GVF
Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lƣu điều khiển VR, VF
HCD
Phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ - ix -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Một số loại Loadcell điển hình dùng cho hệ thống đo lực căng băng vật liệu 21
Bảng 1.2: Tổng hợp phƣơng trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 27
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình 4
Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy 6
Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind) 6
Hình 1.4: Cấu trúc khâu xử lý băng giấy 7
Hình 1.5: Cấu trúc khâu quấn lại băng giấy (Rewind) 7
Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 10
Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay 11
Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con nhảy (dancer) 11
Hình 2.11: Sơ đồ cầu trúc tuyến tính hoá 44
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 44
Hình 2.13: Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 45
Hình 2.14: Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lƣu 46
Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor 47
Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 49
Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 49
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI 51
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 51
Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển PI khâu quấn lại 57
Hình 2.21: Cấu trúc khối “ Bo DK PI ” 57
Hình 2.22: Cấu trúc khối “ Doi tuong “ 58
Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tổng hợp kết quả tốc độ bám theo tốc độ đặt khi M
c
và J biến
thiên 59
Hình 2.24: Tốc độ đặt 59
Hình 2.25: Mô men tải Mc biến thiên 59
Hình 2.26: Mô men quán tính tải J biến thiên 60
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 63
Hình 3.2: Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ 66
Hình 3.3: Hệ điều khiển mờ lai cấu trúc 2 vòng 72
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai 72
Hình 3.5: Kết quả xây dựng bộ điều khiển mờ lai PI 76
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI cho khâu quấn lại vật liệu 78
Hình 3.7: Cấu trúc khối “Bo DK PI 1” 78
Hình 3.8: Cấu trúc khối “Bo dieu khien mo” 79
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng so sánh khả năng bám của tốc độ đầu ra giữa hai bộ điều khiển
PI và PI_mờ 79
Hình 3.10: Thông số tốc độ đặt n_dat, mô men quán tính tải J và mô men tải Mc
chỉnh chính xác cao về mô men và tốc độ. Để có đƣợc chất lƣợng tốt nhất là nhờ sự
phát triển rất lớn của các phƣơng pháp điều khiển tự động truyền động điện nhƣ
điều khiển tối ƣu, thích nghi, bền vững và mờ…
Trên những cơ sở đó, đề tài đặt vấn đề: “nghiên cứu xây dựng hệ truyền động
điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”, trong
đó áp dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lƣợng điều khiển
hệ.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1. Ý nghĩa khoa học:
Đề tài này sẽ đề cập tới việc nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động
điện tự động. Đề tài nghiên cứu các hệ thống truyền động điện động cơ một chiều
kích từ độc lập với tải phi tuyến từ đó xây dựng hệ truyền động điện cho truyền
động điện tháo-quấn băng vật liệu có chất lƣợng cao hơn các hệ thống hiện có.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật xác
định rõ bản chất công nghệ của hệ truyền động điện của các hệ máy tháo-quấn băng
vật liệu, từ đó làm chủ đƣợc công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc
phục sửa chữa
Đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết kế các hệ thống truyền động điện cho động
cơ một chiều kích từ độc lập áp dụng có tải phi tuyến
3. Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện một
chiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu.
4. Đối tƣợng nghiên cứu:
- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU
1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, trong các ngành công nghiệp chế biến nguyên vật liệu dạng hình
tấm hay dải dài linh hoạt thƣờng đƣợc mô tả là băng vật liệu (web) hay nói cách
khác là các dạng vật liệu có độ dài lớn hơn rất nhiều so với độ dày và bề rộng của
nó; nhƣ là: giấy cuộn, phim nhựa, vải cuộn, nilôn cuộn và thép cuộn… Từ những
nguyên liệu này để sản xuất thành một sản phẩm cuối cùng có kích thƣớc bé phù
hợp sử dụng thì các băng vật liệu này phải đƣợc xử lý, chia nhỏ và chuyển đổi; ví
dụ: từ giấy cuộn khổ lớn sản xuất ra các cuộn giấy vệ sinh nhỏ, hay từ cuộn nilon
lớn đƣợc dùng để sản xuất bao bì bánh kẹo… Để làm đƣợc các vấn đề đó thì nó
phải đƣợc thực hiện qua các máy xử lý băng vật liệu với quy trình xử lý đó là: từ
các cuộn vật liệu lớn đƣợc tháo cuộn qua các máy tháo quấn (Unwinder), sau đó
đƣợc đƣa qua các khâu xử lý dải băng vật liệu nhƣ in, sơn, dập, chia nhỏ, duỗi thẳng
… cuối cùng sẽ đƣợc cuộn lại bằng máy quấn lại (Rewinder) ở đầu cuối. Hình 1.1
mô tả một hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình:
Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ hiện nay có nhiều
phát minh sáng chế để nhằm nâng cao năng suất và chất lƣợng hệ thống; bên cạnh - 5 -
Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind)
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khâu xử lý dải băng giấy (Process web): Thể hiện ở hình 1.4
Trong khâu này gồm có:
- Bộ phận điều chỉnh lực căng cho dải
băng để làm bề mặt của vật liệu phẳng và
thẳng không bị dao động và xoắn. Để xử lý
điều này, ở đây sử dụng cơ cấu các con lăn
kẹp đƣợc truyền động bởi nhiều động cơ Mi
có tốc độ quay khác nhau để kéo và điều
chỉnh lực căng cho dải băng. Sau đó qua
một loạt các con lăn dẫn hƣớng quay tự do
để vận chuyển dải băng đến các bộ phận
khác.
- Bộ phận cắt hoặc in (nếu có): Nếu là máy chia cuộn thì có thêm bộ phận dao
cắt chia cuộn. Nếu là máy in thì có bộ phận in lăn …
Khâu quấn lại băng giấy (Rewind): Thể hiện ở hình 1.5
Trong khâu này gồm có một tang
quấn đƣợc truyền động bởi động cơ M2.
Nhiệm vụ của khâu này là quấn lại băng
làm việc ổn định và hiệu quả.
Chính vì lẽ đó, luận văn này nghiên cứu khảo sát các phƣơng pháp truyền
động và điều khiển của hệ thống trên thế giới, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp để
giải quyết vấn đề cho các hệ máy ứng dụng thực tiễn.
1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu
Khảo sát một hệ thống máy tháo-quấn băng vật liệu điển hình có một số đặc
điểm sau: loại vật liệu đƣợc sử dụng là loại có khả năng co giản với mức độ xác
định và khá đồng nhất về tính chất vật lý. Tùy theo dạng bố trí và các phƣơng pháp
xử lý khác nhau của các hệ thống con lăn xử lý dải băng thì nó sẽ là cho bề mặt
băng vật liệu bị biến dạng dƣới tác động chính của lực căng; do đó để vật liệu
không bị biến dạng nhiều khi làm máy viêc thì yêu cầu lực căng của dải băng phải
đƣợc giữ ổn định ở một giá trị thích hợp theo quy định cho từng loại vật liệu, ví dụ:
nếu xét một hệ tháo quấn giấy vệ sinh chẳng hạn, nếu lực căng không phù hợp thì
băng giấy sẽ bị hỏng; chẳng hạn ở tang quấn: nếu quấn quá nhanh hơn so với đầu
giấy chuyển ra tƣ khâu xử lý thì làm cho lực căng tăng, dẫn đến đứt băng giấy;
nhƣng nếu quấn quá chậm thì sẽ làm cho băng giấy lõng lực quấn thấp kết quả cuộn
giấy sau khi quấn sẽ rất lõng lẽo và không định hình đúng kỹ thuật. Còn là ở tang
tháo giấy cũng vậy nếu tháo quá chậm không kịp cung cấp cho đầu vào khâu xử lý - 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
cũng sẽ tạo nên tình huống tƣơng tự là đứt giấy; hay nếu tháo quá nhanh thì làm cho
giấy không kịp chuyển đi sẽ tồn đọng lực căng rất bé gần nhƣ bằng 0, lúc đó khi cấp
vào qua các con lăn kẹp giấy, giấy có thể bị kéo nhăn hay bị nhau nát không định
dạng đúng nhƣ khuôn dạng đầu…
Trong toàn bộ hệ máy, lực căng ở các khâu khác nhau là khác nhau, giả sử lực
căng ở tang tháo quấn là 10N thì ở khâu xử lý là 20N và khâu quấn lại sẽ là 15N…
- Rewinder: Tang quấn lại
- Process web: Bộ xử lý băng vật liệu (dao cắt, bản in hoặc máy chải phẳng)
- Nip roller: Con lăn kẹp điều chỉnh lực căng
- Loadcell1, loadcell2: Cảm biến đo lực căng dải băng
- Mu: động cơ truyền động cho tang tháo quấn
- Mr: động cơ truyền động cho tang quấn lại
- Driver Mu: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mu
- Driver Mr: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mr
- Control Centre: bộ điều khiển trung tâm
- Tension controller: bộ điều khiển lực căng
M
M
u
uD
D
r
r
i
i
v
v
e
e
r
r
c
c
o
o
d
d
e
e
r
rM
M
u
uE
E
n
n
c
c
o
o
d
d
e
e
C
C
o
o
n
n
t
t
r
r
o
o
l
l
l
l
e
e
r
rC
C
o
o
n
n
t
t
c
c
i
i
t
t
y
yC
C
o
o
n
n
t
t
r
r
o
o
l
l
l
l
e
e
r
r
r
r
o
o
c
c
e
e
s
s
s
sw
w
e
e
b
bU
U
n
n
w
w
i
i
Nip roller
L
L
o
o
a
a
d
dc
c
e
e
l
l
l
l1
1L
L
o
- Encoder Mr: máy đo tốc độ động cơ Mr
1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật
liệu
Giới thiệu các mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu đã và đang
sử dụng hiện nay.
* Điều khiển bằng tay thông thƣờng:
Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay
* Điều khiển vòng hở: Điều khiển sức căng theo sự thay đổi của đƣờng kính
cuộn băng vật liệu. Hệ thống
không có tín hiệu phản hồi
về lực căng của dải vật liệu.
- Phƣơng pháp đo
đƣờng kính băng cuộn sử
dụng cảm biến vị trí con lăn
dẫn động (Follower arm
position sensor) (hình 1.8):
Hệ thống gồm một con
lăn tỳ lên bên ngoài cuộn
băng vật liệu, con lăn này
Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con
nhảy (dancer) - 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
dẫn động thông qua một cần trục, cần trục này dẫn động để cấp tín hiệu cho một
một trục lăn có thể điều
khiển thay đổi tịnh tiến,
sự dịch cuyển của con
lăn này làm cho lực
căng giảm hay tăng.
Truyền động cho con lăn này là một xi lanh khí. Bên cạnh đó là một cần gạt truyền
động đến một cảm biến vị trí, từ giá trị đo đƣợc của cám biến này có thể xác định
đƣợc lực căng hiện tại của dải băng là ổn định hoặc tăng hoặc giảm, rồi tín hiệu này
đƣợc cấp về cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ cấp tín hiệu ra điều chỉnh tốc độ và
góc mở của nguồn khí nén cấp cho xi lanh.
Hình 1.10: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng (loadcell)
Hình 1.11: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến
vị trí và dancer
Copyright: Tài liệu đại học ©