Báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống truyền động cuộn thu hồi giấy theo công nghệ trục nổi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Thiết kế hệ thống truyền động cuộn thu hồi
giấy theo công nghệ trục nổi
Nguyễn Trọng Thiện
Nguyễn Văn Thăng

Dương Xuân Trường

Trần dẫn:
Duy LợiNguyễn Trung Dũng Trần Văn Khanh
Giảng viên hướng
Bộ môn:
Khoa:

Tăng Tuấn Minh
Nguyễn Xuân Thượng
Thiết kế môn học truyền động điện tự động
Điện – Điện tử
Nguyễn Đức Tôn
Nguyễn Thành Long

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 12/2021

1


Lời cảm ơn

Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Giao thông vận tải
đã đưa môn học Truyền độn điện tự động vào trương trình giảng dạy. Đặc biệt, chúng em
xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên: Thầy Nguyễn Trung Dũng đã dạy dỗ, truyền đạt
những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Trong thời gian tham gia lớp học Truyền động điện tự động của thầy, chúng em đã có thêm
cho mình nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc. Đây chắc chắn sẽ
là những kiến thức quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này.
Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ
ngỡ. Mặc dù chúng em đã cố nhưng chắc khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều
chỗ cịn chưa chính xác trong báo cáo bài tập lớn, kính mong thầy xem xét và góp ý để bài
tập lớn của chúng em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY VÀ
CÔNG ĐOẠN QUẤN THU HỒI GIẤY...............................................................................5
1.1 Giới thiệu tổng quan về công nghệ sản xuất giấy.....................................................5
1.2 Công đoạn quấn thu hồi giấy....................................................................................5
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ........6
2.1 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ...................................................6
2.2 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC...............................6
2.2.1 Động cơ.........................................................................................................6
2.2.2 Hộp giảm tốc.................................................................................................6
2.2.3 Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ......................................................................6
2.3 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.............................7
2.3.1 Bộ điều khiển.................................................................................................7
2.3.2 Bộ điều chỉnh tốc độ......................................................................................7

2.3.3 Thiết bị đo tốc độ.........................................................................................10
2.3.4 Thiết bị đo dòng điện...................................................................................11
CHƯƠNG 3. XÂY ĐỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG.............................................12
3.1 Lựa chọn hệ truyền động dùng động cơ một chiều.................................................12
3.2 Lựa chọn chiến lược điều khiển tốc độ bằng mạch băm xung tần số cao...............13
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THIẾT KẾ...............................................................................14
4.1 TÍNH TỐN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ..................................................................14
4.2 Thiết kế tính toán phần điêu khiển.........................................................................17
4.3 Bộ điều khiển PID cho hệ thống truyền động.........................................................18
4.3.1 Xây dựng mạch vòng dòng điện..................................................................18
4.3.2 Xây dựng mạch vịng tốc độ........................................................................19
4.3.3 Mơ phỏng trên MatLab................................................................................20
CHƯƠNG 5. LỰA CHỌN THIẾT BỊ..................................................................................21
5.1 Thiết bị điều khiển PLC.........................................................................................21
5.2 Thiết bị bảo vệ........................................................................................................23
5.3 Máy phát tốc...........................................................................................................24
5.4 IGBT...................................................................................................................... 24
5.5 Bộ giảm tốc............................................................................................................25
5.6 Diode cho chỉnh lưu cầu 3 pha...............................................................................25
5.7 Diode giảm tổn hao................................................................................................26
CHƯƠNG 6. BẢN VẼ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH ĐỘNG LỰC...........................27
Hình 1: Bản vẽ mạch động lực.............................................................................................27
Hình 2: Bản vẽ mạch điều khiển..........................................................................................27
CHƯƠNG 7. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC TRÊN PHẦN MỀM S7_SIMATIC.28

3


Tóm tắt nội dung bài tập lớn
Vấn đề cần thực hiện:

Tính tốn, xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống truyền động của trục lô cuộn giấy
đáp ứng được yêu câu của bài toán đồng thời ổn định tốc độ cho động cơ.
1. Động cơ : Dc motor
2. Bộ điều khiển: PLC
Cơng cụ sử dụng lập trình PLC:
Cơng cụ mô phỏng: Matlab Simulink

4


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
GIẤY VÀ CÔNG ĐOẠN QUẤN THU HỒI GIẤY.
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY
Nguyên liệu để sản xuất giấy thường là gỗ và tre, nứa. Trước khi đưa vào máy chặt, nguyên
liệu được rửa và bóc vỏ. Qua máy chặt, ngun liệu có kích thước phù hợp được đưa qua
sân chứa mảnh, sau đó đưa lên các băng chuyền và phân phối vào các nồi nấu theo một tỷ lệ
xác định trước.
Cơng đoạn nấu có chức năng chuyển dăm mảnh thành dung dịch bột. Trước khi nấu người
ta dung hơi bão hịa sấy khơ đến một nhiệu độ nất định. Tiếp đó dung hóa chất trộn với
nguyên liệu. Quá trình nấu bắt đầu bằng các phản ứng giữa nguyên liệu với hóa chất. Dung
dịch bột tiếp tục được bơm sang bể phóng, đây là nơi tập trung trướ khi chuyển sang công
đoạn rửa, sàng.
Công đoạn rửa, sàng có chức năng loại bỏ tạp chất lẫn trong dung dịch nấu. Để thực hiện
chức năng này, người ta sử dụng các máy đánh tơi, sàng áp lực để loại các mấu mắt và bột
sống. Tiếp đó, dung dịch được đưa qua các máy lọc chân không để rửa sạch
Tẩy trắng là công đoạn quan trọng quyết định chất lượng cảu giấy. Ở cơng đoạn này người
ta dung hóa chất để tẩy bột giấy và chủ yếu là Clo.
Công đoạn xeo giấy có nhiệm vụ chuyển bột giấy thành tờ giấy theo đúng yêu cầu chất
lượng. Giai đoạn 1, bột được nghiền nhỏ nhằm tang khả năng liên kết giữa các thớ sợi. Giai
đoạn 2, bột được trộn với ác phụ gia khác như : nhựa thông, phèn, cao lanh… Sau đó được

bơm vào hịm phun. Bột được phun lên lưới để hình thành giấy, lúc này tờ giấy ướt có độ
khơ 18- 20%. Tiếp theo, tờ giấy được chuyển sang lô ép để nâng cao độ khô tờ giấy lên
khoảng 38-40%. Sau các lô ép là các lô sấy, tại đây giấy được sấy có độ khơ lên tới 9294%. Nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, tờ giấy được đưa sang lô ép keo và ép quang. Cuối
cùng giấy được quận vào các lơ thành phẩm.
1.2 CƠNG ĐOẠN QUẤN THU HỒI GIẤY
Giấy thành phẩm được cuốn thu hồi vào lơ cuốn. Vì giấy được chyển động qua nhiều lơ
quay nên việc điều chình tốc độ các quả lơ có ý nghĩa rất quan trọng. Việc giữ ổn định tốc
độ động cơ theo yêu cầu sẽ đảm bảo sức căng của giấy. Không bảo đảm được điều này sẽ
àm đứt giấy hoặc trùng giấy. Vì vậy việc giữ ổn định và điều chỉnh tốc độ động cơ theo 1 tỷ
số đặt trước là 1 việc làm rất cần thiết.

5


CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 1: Mơ hình cơ khí
Giấy thành phẩm được đưa ra với vận tốc v và được cuốn thu hồi vào lô cuốn D0 . Lô cuốn
D 0 này được đặt tì lên trên 2 trụ quay bên dưới, khi 2 trụ D1 và D2 bên dưới quay, ma sát lăn
giữa D 1 và D2 và lô cuốn D 0 sẽ làm cho D 0 quay theo với cùng vận tốc dài của D 1 và D2.
Như vậy theo thời gian, dù cho lượng giấy trên lô cuốn D0 tăng lên khiến cho đường kính
của lơ D 0 thay đổi nhưng vận tốc cuốn giấy vẫn không bị ảnh hưởng vì vận tốc này chỉ phụ
thuộc vào vận tốc quay của D 1 và D 2.
2.2 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.2.1

Động cơ

2.2.1.1. Hệ Truyền Động 1 Chiều

Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều. Truyền động điện một chiều sử
dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mơmen, nó có chất lượng điều
chỉnh tốt. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa
nó địi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp khơng có yêu cầu cao
về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thaythế.
2.2.1.2. Hệ Truyền Động Xoay Chiều
Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ. Động cơ
KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng
nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động
động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn
hơn động cơ điện một chiều. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công
nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không
đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có
điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ
truyền động mộtchiều.
2.2.2

Hộp giảm tốc

Qua qua trình tính tốn để tính chọn động cơ so sánh tốc độ quay định mức của động cơ với
tốc độ quay của trục D2 ta sẽ xét đến việc có cần thiết sử dụng hộp số hay không. Hộp số
này sẽ tiêu tốn một phần công suất nên cần lựa chọn động cơ có cơng suất phù hợp.
6


2.2.3

Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ

2.2.3.1. MCCB

MCCB là một loại thiết bị bảo vệ điện thường được sử dụng cho các điện áp và tần số từ 50
Hz và 60 Hz, được thiết kế với dòng định mức hiện tại lên tới 2.500 ampe. Như với hầu hết
các loại bộ ngắt mạch, MCCB sẽ có ba chức năng chính:
 Bảo vệ chống quá tải: dòng điện trên giá trị định mức tồn tại lâu hơn mức bình
thường.
 Bảo vệ chống các sự cố về điện: trong một lỗi như ngắn mạch hoặc lỗi đường dây, có
trường hợp dịng điện cực cao sẽ bị gián đoạn ngay lập tức.
 Đảm nhận nhiệm vụ bật và tắt mạch điện: thường thì đối với các bộ ngắt mạch, chức
năng này ít phổ biến hơn tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng trong trường hợp
mạch điện khơng có một cơng tắc thủ cơng thích hợp.
2.2.3.2. Rơle nhiệt
Rơ le nhiệt là một loại khí cụ dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố q tải.
Relay nhiệt khơng tác động tức thời theo trị số dịng điện vì nó có qn tính nhiệt lớn. Cần
phải có thời gian phát nóng, do đó rờ le nhiệt có thời gian làm việc từ vài giây đến vài phút.
2.3 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Để đảm bảo công nghệ, ở đây người ta dung hai mạch vòng điều chỉnh dòng điện và mạch
vòng điều chỉnh tốc độ cho từng động cơ hoặc nhóm động cơ.
2.3.1

Bộ điều khiển

PLC được thiết kế để sử dụng trong cơng nghiệp và do đó đã được củng cố để có thể chịu
được một số điều kiện bất lợi liên quan đến môi trường như phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt,
nhiễu điện, xử lý thô và độ rung cao. PLC cũng là một ví dụ điển hình về hệ thống hoạt
động theo thời gian thực do khả năng tạo ra kết quả đầu ra trong thời gian ngắn nhất có thể
sau khi đánh giá đầu vào. Điều này rất quan trọng trong hệ thống công nghiệp vì thời gian là
một phần lớn của nhà máy và quy trình sản xuất.
Ngược lại, các bộ vi điều khiển kém cứng cáp hơn. Nó khơng được thiết kế để hoạt động
như các thiết bị độc lập như PLC. Nó được thiết kế để nhúng vào hệ thống do đó bên ngồi
sẽ kém cứng cáp hơn so với PLC. Vì những lý do này, bộ vi điều khiển có thể bị lỗi khi

được triển khai trong một số tình huống nhất định vì các chip này rất dễ vỡ và có thể dễ
dàng bị hỏng.
Với mơ hình sản xuất cơng nghiệp, cần lựa chọn thiết bị điều khiển có độ tin cậy cao, làm
việc ổn định trong thời gian dài cũng như có tốc độ tính tốn cao. Với những yêu cầu trên,
chúng em sử dụng PLC (Programable Logic Controller). Đây là thiết bị được sử dụng rất
phổ biến trong lĩnh vực sản xuất.
2.3.2

Bộ điều chỉnh tốc độ

Có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều
-

Phương pháp thay đổi điện trở phụ roto:
7


Mắc nối tiếp R p vào phần cứng, từ (1) suy ra Rư tăng lên, suy ra ω giảm, độ dốc của đường
đặc tính giảm. Các đường 1,2 là đường đặc tính sau khi tăng Rư , đường TN là đường đặc
tính tự nhiên của động cơ ban đầu.
-

Phương pháp thay đổi từ thơng

Điều chỉnh từ thơng kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của
động cơ M =KΦ I ư và sức điện động quay của động cơ Eư =KΦω. Khi từ thông giảm thì tốc
độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thay đổi từ thông. Nhưng
theo cơng thức khi Φ thay đổi thì momen, dịng điện I cũng thay đổi nên khó tính được
chính xác dịng điều khiển và momen tải. Vì vậy, phương pháp này ít được sử dụng.
-

Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần cứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương trình sau:
ω=

U ư I ư . Rư
−
k .Φ k . Φ

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng khơng đổi, cịn tốc
độ khơng tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp U ư của hệ thống. Do đó có thể
nói phương pháp điều khiển này là triệt để.
Có 3 phương pháp phổ biến điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB
-

Phương pháp thay đổi điện trở phụ roto:

8


Việc điều chỉnh điện trở rotor có thể thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng xung kích cho
transistor IGBT. Độ rộng xung càng lớn sẽ làm cho điện trở trung bình thêm vào rotor càng
nhỏ và ngược lại.
Phương pháp này chỉ có thể thực hiện đối với động cơ rotor dây quấn, trong khi loại động
cơ này hiện nay ít được sử dụng. Hơn nữa, tổn hao trên điện trở làm giảm hiệu suất vận
hành. Đây là nhược điểm chính của phương pháp này.
-

Phương pháp thay đổi điện áp stator

Trên đặc tính cơ cho thấy, khi hoạt động bình thường trong vùng tuyến tính, tốc độ động cơ
thay đổi không đáng kể khi điện áp thay đổi. Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể dùng cho
điều chỉnh tốc độ với phạm vi rộng, ngồi ra cịn có nhược điểm là làm thiết bị yếu đi nhanh
chóng và khơng đáp ứng được mômen cản lớn.
-

Phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho stator

9


Thơng thường, động cơ làm việc ở vùng có độ trượt tốc độ nhỏ, nên tốc độ động cơ gần
bằng tốc độ đồng bộ. Nếu thay đổi tốc độ đồng bộ thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ.
Phương pháp này có nhược điểm: khi ở vùng tần số thấp làm động cơ quá dòng do trở
kháng của cuộn dây giảm, cịn ở vùng tần số cao có thể làm động cơ bị suy giảm mômen.
Khi tăng cao tần số, tốc độ đồng bộ tăng, mômen cực đại giảm, mô men khởi động giảm,
tốc độ tại mômen cực đại tăng, dòng khởi động giảm.
Để khắc phục điều này, ta cần điều chỉnh đồng thời điện áp. Tức là khi kết hợp hai phương
pháp thay đổi điện áp và thay đổi tần số tại stator, hiệu quả hiệu quả điều chỉnh tốc độ sẽ là
cao nhất, hai chức năng này đều được tích hợp trong biến tần.
2.3.3

Thiết bị đo tốc độ

Để đo tốc độ quay của động cơ, ta có hai lựa chọn là sử dụng Tacho generator (đưa ra tín
hiệu analog) hoặc Encoder (đưa ra tín hiệu digial). Với tín hiệu giá trị đo dạng analog, ta
cần sử dụng một bộ lọc RC để lọc tín hiệu. Vậy để đơn giản hóa thiết kế, nhóm em quyết
định sử dụng Encoder để đo tốc độ, kết hợp với PLC (có chức năng High Speed Counter) để
đọc xung tín hiệu digital.

2.3.3.1. Encoder
Định nghĩa: Encoder là một thiết bị cảm biến cung cấp tín hiệu phản hồi. Encoder chuyển
đổi chuyển động thành tín hiệu điện có thể được đọc bởi một số loại thiết bị điều khiển
trong hệ thống điều khiển chuyển động, chẳng hạn như bộ đếm hoặc PLC. Encoder gửi tín
hiệu phản hồi có thể được sử dụng để xác định vị trí, số lượng, tốc độ hoặc hướng.
Cấu tạo: Encoder bao gồm





1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ.
1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng.
1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng.
Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu.

10


Phân loại: Một bộ mã hóa thường được phân loại theo các phương tiện đầu ra của nó,
gồm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối.
Với ưu điểm giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả về dễ dàng, nhóm em sẽ sử
dụng encoder tương đối để đo tốc độ động cơ để gửi tín hiệu phản hồi về PLC.
2.3.3.2. Máy phát tốc (tacho gennerator)
Khái niệm: máy phát tốc là thiết bị dùng để do tốc độ của động cơ.
Cấu tạo : gồm 2 phần chính là phần cảm và phần ứng.
Phân loại :
Dựa vào tín hiệu ra ta chia máy phát tốc thành hai loại: máy phát tốc xoay chiều và máy
phát tốc một chiều.
a) Máy phát tốc một chiều.

- Máy phát tốc một chiều thực ra chỉ là một máy phát điện một chiều loại
nhỏ.
- Về cấu tạo: nó gồm 4 phần chính : stator (phần cảm) , rơto (phần ứng),
cổ góp và chổi qt

1. Stator 2. rơto 3. cổ góp 4. Chổi qoét
b) Máy phát tốc xoay chiều
- phân loại : máy phát tốc xoay chiều
đồng bộ và không đồng bộ
máy phát tốc xoay chiều đồng bộ.

11


Là một máy phát xoay chiều loại nhỏ, rôto của máy là một hoặc nhiều nam châm điện.

- Máy phát tốc xoay chiều khơng đồng bộ.
Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và đĩa từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối
lượng và quán tính của nó khơng đáng kể
Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích
2.3.4

Thiết bị đo dịng điện

Cảm biến dịng điện là một thiết bị phát hiện dòng điện trong dây và tạo ra tín hiệu tỷ lệ với
dịng điện đó. Tín hiệu được tạo ra có thể là điện áp hoặc dịng điện hoặc thậm chí là đầu ra
kỹ thuật số. Tín hiệu được tạo ra sau đó có thể được sử dụng để hiển thị dòng điện đo được
trong ampe kế hoặc có thể được lưu trữ để phân tích thêm trong hệ thống thu thập dữ liệu
hoặc có thể được sử dụng cho mục đích điều khiển.

Cảm biến dịng điện trực tiếp:
Cảm biến dòng điện trực tiếp phụ thuộc vào định luật Ohm. Bằng cách đặt một điện trở
shunt sắp xếp với tải hệ thống, một điện áp được tạo ra trên điện trở shunt tỷ lệ thuận với
dòng tải hệ thống. Điện áp trên shunt có thể được đo bằng các bộ khuếch đại vi sai, ví dụ
như các bộ khuếch đại dòng shunt.
Cảm biến dòng điện gián tiếp:
Cảm biến dòng điện gián tiếp phụ thuộc vào định luật Ampe và Faraday. Bằng cách đặt một
vòng dây quanh một dây dẫn mang dòng điện, một điện áp được cảm ứng trên vòng dây tỷ
lệ với dòng điện

12


CHƯƠNG 3. XÂY ĐỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
3.1 LỰA CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
- Trong hệ thống quấn thu hồi giấy người ta vẫn sử dụng hệ thống truyền động cũ, hệ truyền
động 1 chiều. Trong đó , ta sử dụng các bộ chỉnh lưu bap pha cấp điện cho các động cơ.
- Ưu điểm của phương pháp này là khả năng điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện được ở vùng
tốc độ rất thấp, thay đổi tốc độ êm, khả năng tự động hóa cao, khơng gây ồn do các van bán
dẫn có hệ số khuếch đại cơng suất lớn.
Q trình điều chỉnh tốc độ đồng bộ có thể thực hiện theo các phương pháp khác nhau.
Dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ đồng bộ và sức căng bằng điều chỉnh điện áp phần
ứng.
3.2 LỰA CHỌN CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ BẰNG MẠCH BĂM
XUNG TẦN SỐ CAO
Yêu cầu vận hành của hệ thống cuộn giấy không yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó ta chỉ
cần điều khiển một van bán dẫn đề điều chỉnh cấp điện áp cho động cơ, đồng thời hệ thống
điều khiển sẽ giảm bớt sự cồng kềnh và phức tạp.

13

CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THIẾT KẾ
4.1 TÍNH TỐN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ

Theo cấu tạo kỹ thuật đã được nêu ở trên, lơ cuốn D0 được đặt tì lên 2 trục quay bên
dưới là trụ D1 và trụ D2, khi 2 trụ quay, ma sát lăn giữa D1, D2 với D0 sẽ làm lơ
cuốn D0 quay. Vì vầy Momen cản trên D1 và D2 gây ra bởi lực ma sát lăn giữa
D1,D2 với D0.

Ta có:
2

2
π D0
π 0.4
mD =
. l . Dthép=
x 3.8 x 7800=¿ 3724,67(kg)
4
4
0

Theo yêu cầu đề bài, lô D0 có thể cuốn giấy đạt đến đường kính D max = 1500

mm.
Độ giày của 1 lớp giấy là T=0,15 mm
Theo cơng thức tính chiều dài giấy trong cuộn(cơng thức chun dùng trong
ngành sản xuất giấy) ta có:
l =

2

2

(b −c ).0,785
T

Trong đó: b là đường kính mã của cuộn giấy
c là đường kính lõi giấy
T là chiều dày 1 lớp giấy
 Chiều dài của lượng giấy trong cuộn là:
l =

(1,52−0,42 ).0,785
≈10937,7(m)
0,15. 10−3

Từ đó tính được:
mgiấy =10937,7 .3,8.100=4156326 ( g ) =4156,326(kg)

Suy ra được:

Ptrụcquay =( m giấy + mD ) . g
o

¿ ( 4156,326+ 3724,67 ) 9,81=77312,6( N )
Lấy g=9,81m/s 2

14

cos(D¿¿ 2)=

0,2
=0,235 ¿
0,75+0,1

D2=76,4 °
=> ^
^
D 0=¿76,4° ¿.2=27,2°

Tổng hợp lực theo quy tắc hình bình hành:
P= √ P1 + P2 + 2 P1 P 2 cos D0
2

2

mà P1=P2 nên ta có
P=P1 √ 2(1+cos D 0 )
P 1=

Ptrụcquay

77312,6
=39771,5N
√ 2(1+ cos D0 ) √ 2(1+cos 27,2)
=

Mà P1= N 1
Lực ma sát tại điểm X 1 , X 2 :
F ms1 =Fms 2=μ K . N 1=0,1 .39771,5=3977,15 (N)

Momen cản do lực ma sát tại điểm X 1 , X 2 gây ra:
M C 1=M C 2=F ms2

D1
0,2
=3977,15 .
≈ 397,715 (Nm)
2
2

Mà theo yêu cầu, hệ truyền động phải có tốc độ cuốn ổn định là 60m/phút
Ta có:
Phương trình động lực học của động cơ:
d

d

1
ω
j
M – M c = J. d + 2 ω d
t
t



d

d

1
ω
j
M = M c + J. d + 2 ω d
t
t

Tương đương với:
 P = Pcst + Pcsđ
Cơng suất tĩnh:

có vcăng=2m/s
15


Pcst = 2 M C 2 . ω 2 + F căng . v căng = 2.397,715.20 + 300.2 = 16508 (W) = 16,508 (kW)

Công suất động:
Pcsd = J.

dω 1
d
∆ω 1 2 ∆J
ω j = J.ω
+
∆ t 1 + 2 ω . ∆ t 2 (*)

2
dt
dt

Có:

|

∆ ω=|ω0 sau −ω0 trước|=

v

R0 max

−

v

R0 min

||
=

|

2
2
−
=7,33 (rad/s)
0,75 0,2

∆ t 1 là thời gian đạt đến tốc độ ổn định. Chọn ∆ t 1=5 (s)
∆ t 2là thời gian đạt đến momen quá tính lớn nhất.
∆ t 2=

l giấy 10937.7
=
=5469( s)
v
2

Lại có, Mơ-men qn tính quy về trục động cơ tính như sau:
Coi tốc độ góc của lơ D2 bằng tốc độ quay của trục động cơ.
Gọi J r là mơ-men qn tính của các phần chuyển động quay quy đổi về trục động cơ:
ω0

2

ω0

2

2

2

1
1
1
2 ω0

2 ω1
2
+ J 1 2 + J 2= m D R0
+ m D R1
+ m D R2
2
2
2
2
ω2
ω2
ω2 2
ω2 2

J r =J˙0 + J˙1 +J 2=J 0

0

1

2

Với:
J˙0 , J 1˙là J 0 , J 1 được quy đổi theo D 2
ω 0 sau =

v
2
=
=2,67 (rad/s)

R 0 max 0,75

ω 0 trước=

v

R0 min

ω 1=ω2 =

=

2
=10 (rad/s)
0,2

v
2
=
=20 (rad/s)
R1 0,1
2

2

mD =mD =π R 1 l . Dthép =π . 0,1 .3,8 .7800=931,17 (kg)
1

2

mD

0

max

mD

0

min

=mgiấy +mD = 7881 (kg)
0

=¿ mD =¿ 3724,67 (kg)
0

Ta tính được:
J rtrước =27,93(kgm2 ¿
J rsau =48,82 (kgm2)
∆ J r =J rsau −J rtrước=48,82−27,93=20,89(kgm 2 ¿
1
2

2
Thay J= mD R0 max , ∆ J =∆ J r , ω=ω 0 sau, ∆ ω, ∆ t 1, ∆ t 2, ∆ J vào phương trình (*) ta được:

Pcsđ =J . ω

0 max

∆ω 1 2 ∆ J
1
+ ω .
m
∆ t1 2
∆t 2 = 2 D

2

0max

R 0 max . ω0 sau .

∆ω
1
∆J
ω 0 sau2 .
+
∆ t1
2
∆ t 2 = 8676 (W)

P=16508+ 8676=25184 (W )=25,184 (kW )

Do phải sử dụng bộ giảm tốc lên sẽ bị tổn hao 10% công suất ở bộ giảm tốc:
16

Pcơ

trướcgiảm tốc

=P+10 %P=25,184 +10 % .25,184=27,7( kW )

Công suất thực tế của động cơ:
Ptt =K dự trữ Pcơ

trướcgiảmtốc

=1,2. 27,7=33,24 (kW )

Chọn động cơ có cơng suất lớn hơn 33,24 kW.

Vậy theo yêu cầu như trên ta chọn động cơ có thông số như sau:
Tên sản phẩm: 1GG6 162-0JD6-6VV5 siemens












Công suất: P=41,5KW

Điện áp đm: U=420V
Dòng điện đm: I=114A
Hiệu suất: 83%
Tốc độ nđm= 1310 (vịng/phút)
Mơ-men xoắn: 303Nm
Khối lượng: 460 kg
Mơ-men qn tính phần ứng: 0,6 kgm2
Điện trở phần ứng bằng 0,403 Ω
Điện cảm phần ứng Lư=4mH
Giá: £8,032.00

17


4.2 THIẾT KẾ TÍNH TỐN PHẦN ĐIÊU KHIỂN
Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống

Xây dựng hàm truyền của các thiết bị trong hệ thống:
 Hàm truyền của bộ băm xung
Ta có hàm truyền của bộ băm xung là một khâu qn tính bậc nhất, có dạng :
k bx
1+ T v s
0

U
420
=42
Trong đó: k bx= đm =
10
10

1

Chọn tần số băm xung f= 50KHz => T v = 2 f = 10−5 (s)
0

 Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện
Ta sử dụng điện trở Shunt để đo dòng điện, hàm truyền là một khâu khuếch đại
với:
k shunt =

10
=166,67
0.06

 Hàm truyền của thiết bị đo tốc độ
Ta sử dụng Tacho Generator để đo tốc độ, hàm truyền là một khâu quán tính bặc
nhất, có dạng
kω
1+ T ω s
10

Trong đó: k ω= 10 =1, chọn T ω=0,5
 Hàm tuyền động cơ điện 1 chiều
Thông số mạch phần ứng:
Rư =0,403 Ω

Điện cảm phần ứng :
Lư =0,004(H )

18

T ư=

Lư
0,004
=¿
= 0,01
0,403
Rư
Pdm
41500
kϕ=
=
=2.65
wdm I dm 1310
.114
9,55

J=¿0,32 kgm2

4.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

4.3.1

Xây dựng mạch vòng dòng điện

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng Module
F TUMĐ=

1
1+ 2 τs+2 τ 2 s 2

Hàm truyền của Actuators
A=

k BX .1/ Rư
(1+T v s)(1+T ư s)
0

Hàm truyền của sensor
S= Ki= Kshunt
Dùng chuẩn tối ưu Module để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện
F TUMĐ

C= AS (1−F

TUMĐ

)

1
2 2
1+ 2 τs+2 τ s
= ki. k BX . 1
Rư
1
(1−
)
2 2

1+2 τs+ 2 τ s
( 1+T v s ) ( 1+T ư s )
0

Chọn τ =T v

0

19


1
2 2
1+ 2T v s+ 2T v s
1
C=
ki. k BX .
Rư
1
(1−
)
2 2
1+2 T v s+2 T v s
( 1+T v s ) ( 1+T ư s )
0

0

0

=

0

0

( 1+T v s ) ( 1+T ư s )
0

1
ki .k BX .
.2 T v s(1+T v s)
Rư
0

0

( 1+T ư s )

= ki .k . 1 .2 T s
BX
v
Rư

0

Bộ điều khiển dịng điện có cấu trúc PI với các tham số
Tư
0,01
Kp= ki .k . 1 .2 T = 166,67.42. 1 .2 .10−5 = 0,029

BX
v
0,403
Rư
0

1
1
TI= ki . k BX . R .2T v = 166,67.42. 0,403 . 2. 10−5=0,35
ư

4.3.2

0

Xây dựng mạch vòng tốc độ

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng Module
F TUMĐ=

1
1+ 2 τs+2 τ 2 s 2

Hàm truyền đạt tương đương của mạch vong dòng điện có dạng gần đúng:
G=

1
1
=
1+2 T v s 1+ 0,01 s

0

Hàm truyền của Actuators
kΦ

A= Js (1+2T s )
v
0

Hàm truyền của sensor
kω

S= (1+T s)
ω
Khi chưa xét đến ảnh hưởng của Momen cản
Dùng chuẩn tối ưu Modul để tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ:
20


F TUMĐ

C= AS (1−F

TUMĐ

)

1
2 2
1+2 τs+2 τ s

=
kω
kΦ
1
.
(1−
)
Js ( 1+2 T v s ) ( 1+T ω s )
1+2 τs+ 2 τ 2 s2
0

Đặt τ =2 T v + T ω
0

1
¿
2 2
(2 T ¿ ¿ v 0 +T ω)s +2(2 T ¿ ¿ v 0+T ω ) s
¿
C= 1+ 2
kω
kΦ
.
¿¿
Js ( 1+2T v s ) ( 1+T ω s )
0

=

Js ( 1+ 2T v s ) . ( 1+T ω s )

0

k Φ . k ω .2(2T ¿ ¿ v 0 +T ω )s . ¿ ¿ ¿

Có T v ,T ω rất bé nên T v . T ω ≈ 0
0

C=

0

Js ( 1+2 T v s+T ω s )
0

k Φ . k ω .2(2T ¿ ¿ v 0 +T ω )s . ¿ ¿ ¿

J

C= k Φ . k .2(2T ¿ ¿ v +T )¿
ω
0
ω
Bộ điều khiển tốc độ có cấu trúc P với tham số
0,32

J

Kp= k Φ . k .2(2T ¿ ¿ v +T )¿ =
= 0,12
−5

2,65.1.2 .(2. 10 +0,5)
ω
0
ω
4.3.3

Mô phỏng trên MatLab

Ta thu được đáp ứng của hệ thống như sau:

21


Nhận xét: Độ quá hiệu chỉnh của hệ thống 0%
Thời gian quá độ ngắn (3,7s)
Đáp ứng bám theo giá trị đặt với sai lệch bằng 0

22




CHƯƠNG 5. LỰA CHỌN THIẾT BỊ
5.1 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC

6ES7314-6EH04-0AB0
SIMATIC S7-300, CPU 314C-2PN / DP CPU nhỏ gọn với bộ nhớ làm việc 192 KB,
24 DI / 16 DO, 4 AI, 2 AO, 1 Pt100, 4 bộ đếm tốc độ cao (60 kHz), giao diện thứ
nhất MPI / DP 12 Mbit / s, Ethernet PROFINET giao diện thứ 2, với công tắc 2 cổng,
Integr. nguồn điện 24 V DC, Cần có đầu nối phía trước (2x 40-cực) và Thẻ nhớ

Micro.
Tổng quát

CPU nhỏ gọn với các đầu vào / đầu ra kỹ thuật số và tương tự tích hợp và các chức
năng công nghệ
Hiệu suất xử lý cao trong số học nhị phân và dấu phẩy động
Để kết nối I / O phân tán qua PROFIBUS và PROFINET
Giao diện chính / phụ MPI / PROFIBUS DP kết hợp
Giao diện PROFINET với công tắc 2 cổng
Bộ điều khiển IO PROFINET để vận hành I / O phân tán trên PROFINET
PROFINET I-Thiết bị để kết nối CPU như một thiết bị PROFINET thông minh dưới
bộ điều khiển IO PROFINET của SIMATIC hoặc không phải của Siemens
Tự động hóa dựa trên thành phần (CBA) trên PROFINET
PROFINET proxy cho các thiết bị thông minh trên PROFIBUS DP trong Tự động
hóa dựa trên thành phần (CBA)
Máy chủ web tích hợp với tùy chọn tạo các trang web do người dùng xác định
Chế độ đẳng thời trên PROFINET
23


Cần có Thẻ nhớ Micro SIMATIC cho hoạt động của CPU.
Thiết kế

CPU 314C-2 DP được trang bị như sau:
Bộ vi xử lý;
bộ xử lý đạt được thời gian thực thi xấp xỉ 60 ns cho mỗi lệnh nhị phân và 0,59 µs
cho mỗi hoạt động dấu phẩy động.
Bộ nhớ mở rộng;
Bộ nhớ công việc tốc độ cao 192 KB (tương đương với khoảng 64 K lệnh) cho các
phần chương trình liên quan đến việc thực thi cung cấp cho người dùng đủ dung

lượng bộ nhớ;
Thẻ nhớ Micro SIMATIC (tối đa 8 MB) làm bộ nhớ tải cho chương trình cũng cho
phép dự án được lưu trữ trong CPU (hoàn chỉnh với các ký hiệu và chú thích).
Khả năng mở rộng linh hoạt;
tối đa 31 mơ-đun, (cấu hình 4 tầng)
Giao diện đa điểm (MPI);
MPI tích hợp có thể thiết lập kết nối với S7-300 / 400 (tối đa 12 đồng thời) hoặc với
các thiết bị lập trình, PC, OP. Trong số các kết nối này, một kết nối luôn được dành
cho thiết bị lập trình và một dành cho OP. MPI giúp bạn có thể thiết lập một mạng
đơn giản với tối đa 16 CPU thơng qua "giao tiếp dữ liệu tồn cầu".
Giao diện PROFIBUS DP:
CPU 314C-2 PN / DP với giao diện chính / phụ PROFIBUS DP cho phép cấu hình tự
động hóa phân tán cung cấp tốc độ cao và dễ sử dụng. Từ góc độ người dùng, I / O
phân tán được coi là I / O trung tâm (cấu hình, định địa chỉ và lập trình giống nhau).
Giao diện Ethernet;
giao diện tích hợp thứ hai của CPU 314C-2 PN / DP là giao diện PROFINET với
công tắc 2 cổng, dựa trên Ethernet TCP / IP.
Nó hỗ trợ các giao thức sau:
-

Giao tiếp S7 để trao đổi dữ liệu giữa các SIMATIC PLC;

-

Thiết bị lập trình / Giao tiếp OP để lập trình, vận hành và chẩn đốn thơng qua
BƯỚC 7;

-

Thiết bị lập trình / giao tiếp OP để giao tiếp với HMI và SCADA;

-

Mở giao tiếp TCP / IP, UDP và ISO-on-TCP (RFC1006) qua PROFINET;

-

SIMATIC NET OPC Server để giao tiếp với các bộ điều khiển khác và thiết bị I /
O với CPU tích hợp
Đầu vào / đầu ra tích hợp; 24 đầu vào kỹ thuật số (tất cả để xử lý cảnh báo) và 16
đầu ra kỹ thuật số cũng như 5 đầu vào tương tự và 2 đầu ra tương tự làm cho CPU
314C-2 DP trở thành một PLC hoàn chỉnh.
24


5.2 Nguồn cho bộ điều khiển PLC

SIMATIC S7-300 Regulated power supply PS307 input: 120/230 V AC, output: 24 V/5 A DC
6ES7307-1EA01-0AA0 là mô đun cấp nguồn cho PLC S7-300 (CPU) do hãng SIEMENS
phát triển & sản xuất với thương hiệu SIMATIC thuộc họ S7-300. PS 307 120/230VAC –
24VDC/5 A 6ES7307-1EA01-0AA

5.3 THIẾT BỊ BẢO VỆ
MCB cho động cơ:

Động cơ DC có cơng suất: P = 41,5 KW
Dòng điện định mức: Idm = 114A
25