Thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại và khoan chi tiết điều khiển bằng điện - Khí nén

........................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................................................... MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG LỜI NÓI ĐẦU 1 LỜI CẢM ƠN 3 DẪN NHẬP 12 PHẦN 1: Giới thiệu tổng quan về điều khiển điện khí nén, các phần tử điều khiển và phần tử chấp hành trong hệ thống điện khí nén 13 1.1. Hệ thống điều khiển Điện Khí nén 13 1.2. Các phần tử điện: 14 1.2.1. Công tắc 14 1.2.2. Nút ấn 14 1.2.3. Rơle 15 1.2.4. Công tắc hành trình điện cơ 18 1.2.5. Công tắc hành trình nam châm 19 1.2.6. Cảm biến cảm ứng từ 19 1.2.7. Cảm biến điện dung 20 1.2.8. Cảm biến quang 21 1.3. Các phần tử điều khiển 23 1.3.1. Van đảo chiều 23 1.3.2. Van chắn 26 1.4. Cơ cấu chấp hành 27 1.4.1. Xylanh 27 1.4.2. Các loại động cơ khí nén 29 PHẦN 2. Phân tích, lựa chọn động cơ truyền động cho máy khoan. 34 2.1. Động cơ điện một chiều. 34 2.2. Động cơ xoay chiều 3 pha. 34 2.3. Động cơ xoay chiều một pha có vành góp. 35 PHẦN3: Phân tích, lựa chọn phương án điều chỉnh động cơ truyền động cho máy khoan 39 3.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 39 3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. 41 3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng. 42 PHẦN 4: Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan. 45 4.1. Cơ sở điều khiển tốc độ động cơ 45 4.1.1. Đặc điểm cơ bản của diode thu phát hồng ngoại 45 4.1.2. Mạch điều khiển 48 4.2 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển 49 4.2.1. Sơ đồ mạch lực 49 4.2.2. Mạch điều khiển 53 PHẦN 5: Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan 58 5.1. Mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan 58 5.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan 58 PHẦN 6: Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén cho hệ thống 60 6.1. Sơ đồ hành trình bước 60 6.2. Mạch điều khiển điện khí nén 60 6.2.1. Mô tả phần tử điều khiển và phần tử chấp hành 60 6.2.2. Mạch điều khiển điện khí nén 60 6.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển điện khí nén 61 PHẦN 7: Thiết kế và thuyết minh sơ đồ nguyên lý của toàn hệ thống 63 7.1. Mô hình của toàn bộ hệ thống 63 7.2. Yêu cầu của hệ thống: 64 7.3. Bảng Symbols (bảng quy định vào ra). 65 7.4. Chương trình điều khiển. 66 LỜI KẾT 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH TÊN HÌNH TRANG 1.1 Công tắc. 14 1.2 Nút ấn. 15 1.3 Kí hiệu rơle theo DIN 40713. 16 1.4 Rơle thời gian tác động muộn. 16 1.5 Cách nối các cực va tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn. 17 1.6 Rơle thời gian nhả muộn. 17 1.7 Phương pháp lắp ráp Rơle thời gian nhả muộn. 18 1.8 Công tắc hành trình điện cơ. 18 1.9 Hai dạng kí hiệu của công tắc hành trình điện cơ. 19 1.10 Công tắc hành trình nam châm. 19 1.11 Nguyên ký hoạt động của cảm biến cảm ứng từ. 20 1.12 Cách lắp và kí hiệu cảm biến cảm ứng từ. 20 1.13 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung. 21 1.14 Kí hiệu cảm biến điện dung. 21 1.15 Cảm biến quang. 22 1.16 a.Cảm biến quang một chiều . b.Cảm biến quang phản hồi. 22 1.17 Kí hiệu cảm biến quang. 23 1.18 Van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện . 24 1.19 Cấu tạo và kí hiệu van đảo chiều 3/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén. 25 1.20 Van một chiều. 26 1.21 Van logic OR. 26 1.22 Van xả khí nhanh. 27 1.23 Lực tác dụng lên xylanh tác dụng đơn. 28 1.24 Xylanh tác dụng kép. 28 1.25 Xylanh tác dụng kép không có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy. 29 1.26 Xylanh tác dụng hai chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy. 29 1.27 Động cơ bánh răng. 30 1.28 Động cơ trục vít. 30 1.29 Cấu tạo của động cơ cánh gạt. 31 1.30 Động cơ pittông hướng kính. 31 1.31 Động cơ pittông dọc trục. 32 1.32 Động cơ tua bin dọc trục. 33 1.33 Hình 1.33: Động cơ màng. 33 2.1 Đường đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. 36 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. 37 2.3 Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp 38 3.1 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song khi thay đổi điện áp. 39 3.2 Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 40 3.3 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song khi thay đổi từ thông. 41 3.4 Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông. 42 3.5 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song . 43 3.6 Họ các đường đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng 43 4.1 Cấu tạo của photodiode. 45 4.2 a) Sơ đồ phân cực cho Photodiot. b) Đặc tuyến V-A của Photodiot. 46 4.3 sơ đồ chân của IC LM324. 47 4.4 Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch thu phát. 48 4.5 sơ đồ mạch lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan 49 4.6 Cấu trúc và sơ đồ tương đương của IGBT. 50 4.7 a. Đặc tính tĩnh. b. Dòng Colecter khi dập tắt. 51 52 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển máy khoan. 53 4.9 Hình dáng và cấu trúc của IC 567. 54 4.10 Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo dao động cho ra hai xung vuông có tần số f0 và 2 f0. 55 4.11 Sơ đồ chân của 74LS257N. 56 4.12 Sơ đồ mạch hợp kênh hai đầu vào. 56 5.1 Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan. 58 6.1 Sơ đồ hành trình bước. 60 6.2 Sơ đồ mạch điều khiển điện khí nén. 61 7.1 Mô hình toàn bộ hệ thống. 6364 DẪN NHẬP Đặt vấn đề Tự động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và công nghiệp. Ngày nay ngành tự động đã phát triển tới trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, của những ngành khác như điện, điện tử, tin học,Nhiều hệ thống điều khiển đã ra đời, phát triển mạnh và có khả năng phục vụ rộng như hệ thống điều khiển điện – khí nén, bộ điều khiển PLC. Riêng nước ta sắp tới đây hàng rào thuế quan khu vực được loại bỏ, kinh tế mở cửa hợp tác với nước ngoài. Trước tình hình đó, nền công nghiệp sẽ gặp không ít khó khăn do còn nhiều dây chuyền có công nghệ lạc hậu. Để có chỗ đứng và thế mạnh trên thương trường, nhà nước đặc biệt chú trọng đến ứng dụng và phát triển tự động trong sản xuất, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản phẩm. Là một kỹ sư điện công nghiệp, công việc sẽ gắn liền với điều khiển, vận hành hệ thống sản xuất. Khi còn đang ngồi trên ghế nhà trường, chúng em rất mong muốn là sẽ thiết kế được một dây truyền sản xuất tự động với những khối kiến thức đã được trang bị trong ba năm học vừa qua. Giúp cho chúng em có thêm những kinh nghiệm trong thực tế và hoàn thiện được khối kiến thức của mình hơn. II. Giới hạn đề tài -Do điều kiện học tập không được tiếp xúc nhiều với PLC, điện khí nén nên trong qúa trình khảo sát và thực hành với PLC và điện khí nén còn có nhiều khó khăn. PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN, CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN TỬ CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN 1.1.Hệ thống điều khiển Điện Khí nén Hệ thống điều khiển bằng khí nén bao gồm: Thiết bị điều khiển và đối tượng điều khiển Tín hiệu nhiễu Đối tượng điều khiển Dây chuyền sản xuất XC Thiết bị điều khiển 2 XC 1 Tín hiệu điều khiển XC + Phần tử đưa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lượng vật lí như là đại lượng và, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiểu. Ví dụ: nút ấn, công tắc, cảm biến . + Phần tử xử lí tín hiệu:Xử lí tín hiệu nhận vào theo một quy tắc lôgíc xác định làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ :Van lôgícOR hoặc AND, rơ le. + Phần tử điều khiển: Điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trạng tháI của cơ cấu chấp hành. Ví dụ : van đảo chiều, van tiết lưu + Cơ cấu chấp hành: Thay đổi trạng thaí của đối tượng điều khiển, là đại lựơng ra của mạch điều khiển: Ví dụ : Xilanh , động cơ dầu. Phần tử đưa tín hiệu Cơ cấu chấp hành Phần tử xử lý và điều khiển Ví dụ: - Công tắc, nút bấm - Công tắc hành trình - Cảm biến bằng tia Ví dụ: - Van đảo chiều - Van chắn (Van một chiều, -Van logic OR, Van logic AND) - Van tiết lưu - Van áp suất - Phần tử khuyếch đại - Phần tử chuyển đổi tín hiệu ví dụ: - Xi lanh - Động cơ khí nén - Bộ biến đổi áp lực 1.2. Các phần tử điện: 1.2.1. Công tắc Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc các phần tử đưa tín hiệu. Hình 1.1 giới thiệu hai loại công tắc thông dụng Công dụng đóng – mở (on – off switch), xem hình 1.1a và công tắc chuyển mạch quay, xem hình 1.1b. a. Công tắc đóng mở b. Công tắc chuyển mạch Hình 1.1 Công tắc 1.2.2. Nút ấn Nút ấn đóng – mở ở hình 1.2a, khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua(mở), khi tác động (nhấn) dòng điện đi qua 3-4. Nút ấn chuyển mạch, biểu diễn và ký hiệu: Hình 1.2- Nút ấn a.Nút ấn đóng _mở. b.Nút ấn chuyển mạch. 1.2.3. Rơle Trong kỹ thuật điều khiển, rơle được sử dụng như là phần tử xử lí tín hiệu. Có nhiều loại rơle khác nhau, tùy theo công dụng. Phần trình bày tiếp theo sẽ giới thiệu một số loại rơle thông dụng, ví dụ như rơle công suất, rơle đóng – mở, rơle điều khiển, rơle thời gian. a. Rơle điều khiển. Nguyên lí hoạt động của Rơle điều khiển cũng tương tự như rơle đóng mạch (xem biểu diễn và ký hiệu ở hình 1.3; khác rơle đóng mạch ở chỗ là rơle điều khiển đóng, mở cho mạch có công suất nhỏ và thời gian đóng, mở của các tiếp điểm rất nhỏ (1 ms đến 10 ms). Hình 1.3 Kí hiệu rơle theo DIN 40713 b. Rơle thời gian tác động muộn Nguyên lí hoạt động của rơle thời gian tác động muộn (hình 1.4); tương tự như rơle thời gian tác động muộn của phần tử khí nén, điốt tương đương như van một chiều, tụ điện như bình trích chứa, biến trở R1 như van tiết lưu. Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt. Hình 1.4 Rơle thời gian tác động muộn. a. Sơ đồ nguyên lí. b. Sơ đồ thời gian tác động muộn của phần tử khí nén. c. Kí hiệu. d. Biểu đồ thoèi gian. Cách nối các cực và tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn trong mạch điều khiển được biểu diễn ở hình 1. 5 Hình 1.5. Cách nối các cựcva tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn. c. Rơle thời gian nhả muộn Nguyên lí hoạt động của rơle thời gian nhả muộn (hình 1.6); tương tự như rơle thời gian tác động muộn của phần tử khí nén, điốt tương đương như van một chiều, tụ điện như bình trích chứa, biến trở R1 như van tiết lưu. Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt. Hình 1.6 Rơle thời gian nhả muộn. a.Sơ đồ nguyên lý làm việc. b.Sơ đồ thời giannhả muộn của phần tử khí nén. c.kí hiệu . d.Biểu đồ thời gian. Cách nối các cực và tiếp điểm rơle thời gian nhả muộn trong mạch điều khiển được biểu diễn ở hình 1.7. Điều chú ý là cổng B2 nối với cực dương +. Hình 1.7. Phương pháp lắp ráp rơle thời gian nhả muộn. 1.2.4. Công tắc hành trình điện cơ Nguyên lí hoạt động của công tắc hành trình điện – Cơ được biểu diễn ở hình 1.8. Khi con lăn chạm cữ hành trình, thì tiếp điểm 1 nối với 4. Hinh 1.8. Công tắc hành trình điện cơ. Cần phân biệt các trường hợp ở hình 1.9 khi lắp hành trình điện – Cơ trong mạch Hình 1.9. Hai dạng kí hiệu của công tắc hành trình điện cơ. Trạng thái thường đóng khi không có tác động. Trạng thái thường đóng khi có tác động. 1.2.5. Công tắc hành trình nam châm Công tắc hành trình nam châm thuộc loại công tắc hành trình không tiếp xúc. Nguyên lí hoạt động, kí hiệu được biểu diễn ở hình 1.10. Hình 1.10. Công tắc hành trình nam châm . 1.2.6. Cảm biến cảm ứng từ Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 1.11. Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, trong kim loại đó sẽ hình thành dòng điện xoáy. Như vậy năng lượng của bộ dao động sẽ giảm, dòng điện xoáy sẽ tăng, khi vật cản càng gần cuộn cảm ứng. Qua đó biên độ dao động của bộ dao động sẽ giảm. Qua bộ so, tín hiệu ra được khuyếch đại. Trong trường hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Hình 1.11. Nguyên ký hoạt động của cảm biến cảm ứng từ. Cách lắp trong mạch và ký hiệu cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 1.12 Kí hiệu. Hình dạng thực,cách lắp Hình 1.12. Cách lắp và kí hiệu cảm biến cảm ứng từ. 1.2.7. Cảm biến điện dung Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung biểu diễn ở hình 1.13. Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại hoặc phi kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, điện dung tụ điện thay đổi. Như vậy tần số riêng của bộ dao động thay đổi. Qua bộ so, và bộ nắn dòng, tín hiệu ra được khuyếch đại. Trong trường hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Hình 1.13. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung. Cách lắp trong mạch và ký hiệu cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 1.14. Hình 1.14 Kí hiệu cảm biến điện dung. 1.2.8. Cảm biến quang Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung biểu diễn ở hình 1.15 gồm 2 phần: Bộ phận phát Bộ phận nhận Bộ phận phát sẽ phát đi tia hồng ngoại bằng điốt phát quang; Khi gặp vật chắn, tia hồng ngoại sẽ phản hồi lại vào bộ phận nhận. Như vậy ở bộ phận nhận, tia hồng ngoại phản hồi sẽ được xử lí trong mạch và cho tín hiệu ra sau khi khuyếch đại. Hình 1.15 Cảm biến quang. Tuỳ theo vị trí sắp xếp của bộ phận phát và bộ phận nhận, người ta phân biệt thành 2 loại chính; cảm biến quang một chiều (hình 1.16a) và quang biến quang phân hồi (hình 1.16b). Hình 1.16 a.Cảm biến quang một chiều . b.Cảm biến quang phản hồi. Thông thường cảm biến quang có kí hiệu như sau: a. b. Hình 1.17. Kí hiệu cảm biến quang. a. Nút điều chỉnh khoảng cách. b.Kí hiệu. 1.3. Các phần tử điều khiển: 1.3.1. Van đảo chiều a. Van đảo chiều bằng nam châm điện Van đảo chiều đièu khiển bằng nam châm điện kết hợp với khí nén ó thể điều khiển trực tiếp ở hai dầu van hoặc là gián tiếp qua van phụ trợ .Hình dưới đây biểu diễn một số ký hiệu loại: Van đảo chièu điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện và lò xo Van đảo chiều điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện cả hai phía Van đảo chiều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén Van đảo chiều điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện cả hai phía Van đảo chiều điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén Ký hiệu các loại điều khiển +) Điều khiển trực tiếp: Cấu tạo và ký hiệu của van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện Thân van. Cuộn dây nam châm điện. Lõi sắt từ. Vòng đệm chắn. Lò xo. Hộp nam châm điện. Mặt tựa. Hình 1.18 : Van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện +) Điều khiển gián tiếp (bằng van phụ trợ) Nguyên lý của van đảo chiều 3/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén được biểu diễn, gồm 2 van: van chính và van phụ trợ .Khi van ở vị trí “không”của cửa nối với nguồn P sẽ nối với nhánh b, để van chính nằm ở vị trí b 1. Thân van chính . 7. Mặt tựa . 2. Cuộn dây . 8. Lõi sắt từ. 3. Nòng van . 9. Nút điều chỉnh bằng tay. 4. Vòng đệm chắn . 10. Vòng đệm chắn . 5. Lò xo Hình 1.19: Cấu tạo và kí hiệu van đảo chiều 3/2điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén. * Van đảo chiều 3/2 kí hiệu: * Van đảo chiều 5/2: kí hiệu: +) Một số loại van đảo chiều: 1.3.2. Van chắn: Van chắn là loại van chỉ cho lưu lượng khí nén đi qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn. áp suất dòng chảy tác động lên bộ phận chặn của van và như vậy van được đóng lại. Van chắn gồm các loại sau: Van một chiều Van logic OR Van logic AND Van xả khí nhanh a, Van một chiều: Van một chiều có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí nén di qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn. Nguyên lý hoạt động và ký hiệu van một chiều, hình vẽ. Dòng khí nén đi từ A qua B, chiều từ B qua A dòng khí nén bị chặn. Hình 1.20: Van một chiều b. Van logic OR (hoặc) Hình 1.21: Van logic OR c. Van logic AND (và) Khi có dòng khí nén qua cửa X,sẽ đẩy pitông trụ của van sang vị trí bên phải, như vậy cửa Y bị chặn. Hoặc là khi có dòng khí nén qua cửa Y, sẽ đẩy pittông trụ sang vị trí bên trái, cửa X bị chặn. Nếu dòng khí nén đồng thời đi qua cửa X và Y, cửa A sẽ nhận được tín hiệu, tức là khí nén sẽ đi qua cửa A. Như vậy van logic AND có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển cùng một lúc ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. d. Van xả khí nhanh: Khi có dòng khí nén đi qua cửa P, sẽ đẩy pittông trụ sang phải, chắn cửa R, như vậy cửa P nối với cửa A. Trường hợp ngược lại, khi dòng khí nén đi từ A, sẽ đẩy pittông trụ sang trái, chắn cửa P và như vậy cửa A nối với cửa R. Van xả khí nhanh thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành, ví dụ pittông có nhiệm vụ xả khí nhanh ra ngoài. Hình 1.22: Van xả khí nhanh 1.4. Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng áp suất khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xylanh), hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). 1.4.1. Xylanh a. Xylanh tác động đơn (Xylanh tác động một chiều). áp lực tác động vào xylanh đơn chỉ một phía, phía ngược lại do lực lò xo tác động hay do ngoại lực tác động (hình vẽ). Lực tác động lên pittông được tính theo công thức: FZ = A.PE – FR –FF Hình 1.23: Lực tác dụng lên xylanh tác dụng đơn b. Xylanh tác dụng hai chiều( xylanh tác dụng kép) Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng 2 chiều (tác dụng kép) là áp suất khí nén được dẫn vào cả 2 phía của xylanh. Xylanh tác dụng 2 chiều: 1 cửa nối mặt đáy pittông, 2 cửa nối mặt trước của pittông, 3 mặt trước pittông, 5 bề mặt xylanh, 6 bề mặt pittông, 7 diện tích cần pitttông, 8 đáy xylanh, 9 nắp xylanh. Hình 1.24: Xylanh tác dụng kép c. Xylanh tác dụng 2 chiều, không có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy Hình 1.25: Xylanh tác dụng kép không có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy. d. xylanh tác dụng 2 chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy Hình 1.26: Xylanh tác dụng hai chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy 1.4.2. Các loại động cơ khí nén a. Động cơ bánh răng Theo thiết kế động cơ bắnh răng chia làm 3 loại: Động cơ bánh răng thẳng. Động cơ bắnh răng nghiêng, Động cơ bánh răng chữ V. Động cơ bánh răng thường có công suất đến 59kw với áp suất làm việc 6bar và mô men quay đạt tới 540Nm * Động cơ bánh răng thẳng: Mô menn quay được tạo ra bởi áp suất khí nén lên mặt bên răng.ống thải khí được thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng ồn * Động cơ bánh răng nghiêng: Nguyên lý hoạt động như bánh răng thẳng,chú ý là ổ lăn phải chọn để khử được lực hướng trục và lực dọc trục * Động cơ bánh răng chữ V: Có ưu điểm là giảm tiêng ồn Hình 1.27: Động cơ bánh răng b. Động cơ trục vít: Hai trục quay của động cơ trục vít có biên dạng lồi và biên dạng lõm. Số răng của mỗi trục khác nhau. Điều kiện để hai trục quay ăn khớp là hai trục phải quay đồng bộ Hình 1.28: Động cơ trục vít c. Động cơ cánh gạt: Nguyên lý làm việc của động cơ cánh gạt: Khí nén được dẫn vào cửa 1,qua rẵnh vòng 2 vào lỗ dẫn khí nén 3. Dưới tác dụng áp suất lên cánh gạt, rô to quay. Khí nén được thải ra ngoài bằng lỗ 8.(hình vẽ) Để chuẩn bị cho động cơ khởi động,cách gạt phải được áp sát vào thành rô to; Một số hãng sản xuất đã chế tạo lỗ dẫn khí nén vào đựoc dẫn từ mặt bích trên của động cơ Hình 1.29: Cấu tạo của động cơ cánh gạt d. Động cơ píttông hướng kính: Động cơ hướng kính có công suất từ 1,5-11kw. Nguyên lý hoạt động áp suất khí nén tác động lên pit tông 2, qua thanh truyền 3 làm trục khuỷu quay. Để cho trục quay không bị va đập và tảỉ trọng đều trong lúc quay, thường bố trí nhiều xi lanh. Hình 1.30: Động cơ pittông hướng kính e. Động cơ píttông dọc trục Động cơ pít tông dọc trục phần lớn được sắp sếp 5 xy lanh dọc theo trục gắn trên đĩa đu đưa.Mô men quay được tạo thành bởi lực tiếp tuyến của xy lanh tác động.Động cơ xy lanh dọc trục điều khiển vòng quay được vô cấp và đạt được mô men quay 900Nm Hình 1.31: Động cơ pittông dọc trục f. Động cơ tua bin Nguyên lý hoạt động của động cơ tua bin là chuyển đổi động năng của động cơ khí nén qua vòi phun thành năng lượng cơ học vì vậy động cơ đạt số vòng quay rất cao(10000v/p) động cơ tua bin được phân chia theo hướng dòng khí nén thành các loại dọc trục, hướng trục, tiếp tuyến và tua bin tia phun tự do Hình 1.32: Động cơ tua bin dọc trục g. Động cơ màng Nguyên lý hoạt động của động cơ màng: Khi dòng khí nén vào cho dòng dao động. Nếu nối màng với thanh truyền với bánh con cóc thì sẽ chuyển động quay không liên tục Hình 1.33: Động cơ màng PHẦN 2. PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY KHOAN. 2.1. Động cơ điện một chiều. a. Ưu điểm: - Tạo ra được mô men quay lớn. - Điều chỉnh tốc độ một cách dễ dàng (có thể điều chỉnh tốc độ không đổi hoặc điều chỉnh tốc độ thay đổi theo tải trong một vùng rộng). - Hiệu suất lớn, làm việc ổn định, giá thành rẻ. - Được sử dụng rất phổ biến trong thực tế. b. Nhược điểm: - Trong thực tế chúng ta thường sử dụng lưới điện xoay chiều, vì vậy chúng ta phải biến đổi từ điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều. 2.2. Động cơ xoay chiều 3 pha. a. Ưu điểm: - Với động cơ không đồng bộ 3 pha thì có cấu tạo đơn giản,giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn, đồng thời có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo. - Với động cơ đồng bộ 3 pha thì có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. - Với động cơ xoay chiều 3 pha có vành góp thì có thể tạo tần số hay giữ điện áp không đổi khi tải thay đổi. b. Nhược điểm: - Với động cơ không đồng bộ 3 pha thì không dùng được những phương pháp và thiết bị đơn giản để điều chỉnh tốc độ trong một phạm vi rộngvà bằng phẳng, tiêu thụ công suất phản kháng lớn, làm hệ số cos của lưới điện thấp. - Với động cơ đồng bộ 3 pha thì khi khởi động và hãm rất phức tạp. - Với động cơ xoay chiều 3 pha có vành góp thì có kết cấu phức tạp, giá thành cao. 2.3. Động cơ xoay chiều một pha có vành góp. a. Ưu điểm: - Tốc độ quay lớn. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng. b. Nhược điểm: - Giá thành đắt. - Việc đổi chiều rất khó khăn. - Hiệu suất làm việc không cao vì có tổn hao sắt và tổn hao phụ. *) Tóm lại: Từ những ưu, nhược điểm của các loại động cơ trên ta sẽ chọn được động cơ điện một chiều làm động cơ truyền động cho máy khoan, vừa đảm bảo được điều kiện làm việc, vừa đảm bảo về kinh tế (do giá thành của động cơ điện một chiều rất rẻ ).Trong động cơ điện một chiều gồm có: động cơ điện một chiều kích thích song song, động cơ điện một chiều kích thích độc lập, động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp và động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp.Ta đi xét đặc tính cơ của từng loại động cơ điện một chiều như sau: +) Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập. Với những điều kiện U= C, It= C, khi M (hoặc I) thay đổi , từ thông của động cơ điện cũng hầu như không đổi,vì thực ra ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ cho nên phương trình đặc tính cơ n = -.R có thể viết dưới dạng n = n0- R ., và đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song là một đuờng thẳng (như hình 2.1). Đường đặc tính đó ứng với trường hợp trên mạch của phần ứng không có điện trở phụ và được gọi là đặc tính cơ tự nhiên. 0 Mđm(Iđm) M (I) Hình 2.1.đường đặc tính cơ của động cơ kích thích song song Do R rất nhỏ nên khi thay đổi tải từ không đến định mức, tốc độ giảm rất ít (khoảng 2 đến 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ tự nhiên của động cơ kích thích song song rất cứng. Với đặc tính cơ như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong trờng hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi (máy cắt kim loại…). +) Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. Ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính làdòng điện phần ứng It = I =I. Vì vẩytong một phạm vi khá rộng có thể biểu thị: Trong đó hệ số tỉ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I (0,8 đến 0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hoà của mạch từ. Như vậy biểu thức mômen sẽ có dạng: M = CM..I Và kết hợp với biểu thức: n = -.R => n = - R Nếu bỏ qua R thì : n = hay M = . Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà đặc tính của động cơ điện một chiềukích từ nối tiếp có dạng đường hypebol bậc hai như hình 2.2(đường 1). Ta thấy rằng ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0) có trị số rất lớn. Cũng vì vậy không được cho loại động cơ điện này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như dùng đai truyền, vì khi xảy ra đứt hoặc trượt đai truyền tốc độ quay rất cao. Thông thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2 đến 0,25)Pđm . Trên thực tế do ảnh hưởng của bão hoà khi tải tăng, tốc độ của dộng cơ giảm ít hơn theo đường nét đứt (hình 2.2). Hình 2.2: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Với đặc tính cơ mềm như vậy, động cơ điện kích thích nối tiếp rất ưu việt trong những nơi điều kiện cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng (đầu máy kéo tải, xe điện, cần trục…). +) Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp có thể được chế tạo sao cho tác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc bù nhau hoặc ngược nhau; Song trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại động cơ điện kích thích hỗn hợp bù vì động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Động cơ điện kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại động cơ kích thích song song và động cơ kích thích nối tiếp. Khi tải tăng từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của không mạnh như trường hợp động cơ điện kích thích nối tiếp, cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ điện kích thích nối tiếp. Để tiện so sánh, đặc tính cơ của các loại động cơ điện nói trên được trình bày trên hình vẽ. Hình 2.3. họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp Trong đó: đường 1- ứng với kích thích hỗn hợp bù đường 2- ứng với hỗn hợp ngược đường 3 - ứng với kích thích song song đường 4- ứng với kích thích nối tiếp Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp được dùng trong những nơi cần điều kiện mô men mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng. => Như vậy: từ các phân tích trên ta thấy động cơ một chiều kích từ song song là phù hợp để lựa chọn làm động cơ truyền động cho máy khoan. PHẦN3: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY KHOAN Như ở phần trước ta lựa chọn động cơ truyền động cho máy khoan là động cơ điện một chiều kích từ song song. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Đối với động cơ điện một chiều kích từ song song ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau: 3.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Khi thay đổi điện áp phần ứng, ta được họ đặc tính cơ song song nhau(cùng độ cứng) với các tốc độ không tải lý tưởng khác nhau như trên Hình3.1. Quá trình điều chỉnh tốc độ được giải thích trên Hình 3.2. Hình3.1: Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song khi thay đổi điện áp Hình3.2: Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ 1 ứng với điện áp phần ứng là U1. Khi giảm điện áp phần ứng xuống U2, động cơ chuyẻn sang làm việc tại điểm B trên đường đặc tính 2. Lúc này, mô men động cơ MB nhỏ hơn mô men cản MC nên động cơ giảm tốc theo đường 2. Tới điểm Đ thì MĐ =MC và động cơ quay ổn định với tốc độ <. Khi tăng tốc, quá trình cũng được giải thích tương tự. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm E có tốc độ trên đường đặc tính cơ 4 ứng với điện áp U4 trên phần ứng. Để tăng tốc, điện áp phần ứng được nâng lên U3..Động cơ sẽ chuyển điểm làm việc từ điểm E trên đường đặc tính 4 sang điểm G trên đường đặc tính 3(=). Lúc này mô men động cơ là MG>MC nên động cơ tăng tốc theo đường 3. Tới điểm H thì momen động cơ giảm bằng momen cản(MĐ =MC) và động cơ sẽ quay ổn định tại điểm H với tốc độ>. Phương pháp điều chinh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm: - Điện áp phần ứng càng giảm tốc độ động cơ càng nhỏ. - Điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh D 10:1. - Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. - Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm (Vì chỉ có thể thay đổiUƯUđm). 3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. Ta thấy, khi RKT thay đổi thì từ thông cũng thay đổi theo Khi thay đổi từ thông, ta được một họ đường đặc tính cơ với tốc độ không tải lý tưởng khác nhau và độ cứng khác nhau như trên Hình 3.3 hay Hình 3.4. Lúc đó, ta được các tốc độ khác nhau ứng với cùng mômen tải MC. Hình 3.3: Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song khi thay đổi từ thông Hình 3.4 : Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm: - Từ thông càng giảm, tốc độ động cơ càng lớn. - Điều chỉnh trên giảI điều chỉnh D3:4. - Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. - Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng(vì chỉ có thể thay đổi <). 3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng. Khi thay đổi điện trở mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ có cùng tốc độ không tải lý tưởng nhưng với các độ dốc khác nhau như trên Hình3.5 hay Hình 3.6. Hình 3.5 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ song song khi thay đổi điện trở mạch phần ứng Hình 3.6. Họ các đường đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng có các đặc điểm: + Điện trở mạch phần ứng càng tăng, tốc độ động cơ càng giảm. + Về nguyên tắc, phương pháp cho phép điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở. Nhưng vì dòng điện phần ứng lớn,việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn nên thực tế chỉ chuyển đổi điện trở theo từng cấp. Nói chung , phương pháp này cho D5:1. + Độ cứng đặc tính cơ giảm khi tăng điện trở ở mạch phần ứng. + Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm(chỉ có thể thay đổi RƯ> RƯ). *) Phương án lựa chọn: Đối với các phương pháp điều chỉnh tốc độ nêu ở trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp là tối ưu hơn cả: - Thứ nhất là: Điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh lớn D 10:1. - Thứ hai là: Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. - Thứ ba là: Thay đổi điện áp dễ dàng, mạch điều khiển đơn giản. PHẦN 4: THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MÁY KHOAN. 4.1. Cơ sở điều khiển tốc độ động cơ Khi thay đổi điện áp cấp vào cho động cơ thì tốc độ động cơ thay đổi theo. Đối với từng loại sản phẩm thì động cơ sẽ quay với tốc độ nhất định, chẳng hạn với sản phẩm có kích thước lớn nhất thì động cơ sẽ quay với tốc độ lơn nhất(n1), sản phẩm có kích thước lớn thứ hai động cơ quay với tốc độ trung bình(n2) còn sản phẩm có kích thước nhỏ nhất sẽ quay với tốc độ nhỏ (n3). Để nhận biết kích thước cụ thể của từng loại sản phẩm trên chúng em sử dụng cảm biến thu phát, các cảm biến này được đặt trên băng tải. Cảm biến sẽ xác định được kích thước của vật cần khoan từ đó điều khiển tốc độ động cơ cho hợp lý. 4.1.1. Đặc điểm cơ bản của diode thu phát hồng ngoại a. Photodiode. Được chế tạo dựa trên cơ sở của 2 bán dẫn P và N giống như các điốt thông thường khác. Nhưng chỉ khác là người ta để ra một cửa sổ sao cho ánh sáng chiếu đồng thời vào 2 bán dẫn đó. Điốt quang có thể làm việc ở hai chế độ: Chế độ nguồn ngoài hoặc chế độ suất điện động. Hình 4.1. Cấu tạo của photodiode +) Nguyên lý hoạt động : Ở chế độ nguồn ngoài(quang dẫn) Photodiot được mắc như sau: a) b) Hình 4.2: a) Sơ đồ phân cực cho Photodiot. b) Đặc tuyến V-A của Photodiot. Khi ệ = ệ0 (chưa có chiếu sáng) Mặt ghép PN bị phân cực ngược chỉ có dòng I0 do các động tử không cơ bản có sẵn trong bán dẫn tạo ra. Khi ệ = ệ1 làm xuất hiện các động tử không cơ bản trong bán dẫn và làm cho dòng ngược chạy qua điốt tương đối lớn. và ta có đường đặc tuyến ứng với ệ1. Khi ệ = ệ2 , ệ3 , ệ4 , ệ5 thì khi đó các đặc tuyến càng tăng. Khi có điện trở R ta có: UD = E – ID.R Giả sử điểm công tác ban đầu của Photodiot là điểm M và nếu như tín hiệu ánh sáng chiếu vào biến đổi theo quy luật hình sin vậy thì điểm M sẽ dịch chuyển trên đường tải và kéo theo ID cũng thay đổi theo quy luật của ánh sáng chiếu vào. Vậy là từ tín hiệu ánh sáng ta đã biến đổi được thành tín hiệu điện. Có hai loại Photodiot đó là: PIN và APD (điốt thác lũ) b. IC LM 324N Loại IC này phân cực bởi nguồn đơn và nó dùng để thực hiện so sánh 2 tín hiệu vào đầu ra đưa ra mức điện áp H hay L. Với loại Op – Amp được phân cực bởi nguồn đơn B+ thì ngõ vào(Input) và ngõ ra(Output) có tính chất như sau: Ngõ ra Out báo mức Volt cao (High) nếu điện áp ngõ vào In+ > In- Ngõ ra Out báo mức 0V nếu điện áp ngõ vào In+ = In- Ngõ ra Out báo mức thấp (Low) nếu điện áp ngõ vào In+ < In- Hình 4.3: sơ đồ chân của IC LM324 4.1.2. Mạch điều khiển Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Nguồn Khối điều khiển Khối chấp hành Khối cảm biến +) Nguồn Vì trong PLC dùng nguồn 24VDC nên chúng em sử dụng nguồn một chiều 24V DC để cấp điện cho động cơ ,nguồn 9VDC để cấp nguồn nuôi cho IC tạo xung và nguồn 5VDC Để duy trì nguồn nuôi cho MUX 2:1 +) Khối cảm biến Để khối điều khiển nhận được tín hiệu và điều khiển cho động cơ có tốc độ hợp lý.Chúng em đã sử dụng cảm biến tự chế ,đó là led thu phát hồng ngoại,và làm hai mạch cảm biến như nhau Hình 4.4: Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch thu phát Nguyên lý hoạt động Nguồn 24V cung cấp cho diode phát, thu và R3, R3 có thể điều chỉnh để lấy ra điện áp phù hợp để so sánh với điện áp thu đưa vào LM324. Tín hiệu đầu ra từ LM 324 đưa vào PLC. Bình thường khi không có sản phẩm đi qua diode thu có điện trở nhỏ va luôn dẫn điện áp trên diode thu nhỏ và bằng điện áp đặt nên đầu ra của LM324 =0v. Khi có sản phẩm đi qua do không có anh sáng chiếu vào nên điện trở của thu rất lớn nên thu không dẫn điện áp vào LM324 lớn hơn điện áp đặt nên đầu ra có điện áp gần = 24v . Từ cảm biến đưa vào PLC điều khiển tốc độ động cơ và mạch điều khiển động cơ như sau. 4.2 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển 4.2.1. Sơ đồ mạch lực: Theo như yêu cầu chúng em phải sử điều khiển động cơ ở ba cấp tốc độ. Hình4.5.sơ đồ mạch lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan a. Vài nét về IGBT: Tranzito lưỡng cực cổng cách ly IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất, trong đó phối hợp hai tranzito lưỡng cực NPN, PNP và một MOSFET, có cấu trúc được biểu diễn trên hình 4.6a. a) b) Hình 4.6. Cấu trúc và sơ đồ tương đương của IGBT +) Cấu trúc của IGBT Trong IGBT, phần MOSFET nằm trong các miền P và N ở trên lớp P+, tranzito NPN cũng nằm trong vùng này. Tranzito PNP nằm trong ba vùng từ côlectơ C đến êmitơ E. Điện trở R tương ứng với miền P được gắn bởi hai máu kiểu N tiếp xúc kim loại với êmitơ. Sơ đồ tương đương của IGBT được cho trên hình 4.6b. Các êmitơ nguyên tố được nối với cực E. Cổng điều khiển được cách ly vì điện trở vào của MOSFET rất lớn. Việc bổ sung thêm lớp P+ dẫn tới hai hệ quả: *) Mồi IGBT Điện áp VCE dương khi điện áp VGE lớn hơn một điện áp ngưỡng VT, khi đó xuất hiện các kênh dẫn. Các điện tử chạy qua kênh này và bơm thêm vào lớp N- có điện thế giảm đi. Chuyển tiếp P+N- trở nên dẫn và đưa IGBT vào trạng thái dẫn. Vùng N- nhận các điện tử của êmitơ và lỗ của côlectơ, điện trở suất của nó sẽ giảm đi và điện trở biểu kiến của nó nhỏ hơn điện trở của MOSFET, do vậy vùng N- sẽ không được bơm thêm vào các lỗ. Đặc tính tĩnh ra iC = f(vCE) đựơc biểu diễn trên hình 4.7a. Hình 4.7a. Đặc tính tĩnh Ta nhận thấy dòng điện iC chỉ khác không khi VCE vượt quá điện áp ngưỡng của chuyển tiếp P+N- và điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn là nhỏ nhất. *) Dập tắt IGBT Việc dẫn bằng các hạt thiểu số có ưu điểm làm giảm điện áp rơi ở trạng thái dẫn, nhưng có nhược điểm làm tăng thời gian dập tắt, do đó hạn chế tần số sử dụng cho phép của IGBT. Khi triệt tiêu tín hiệu điều khiển trên cổng, dòng điện iC được tắt theo hai giai đoạn(hình 4.7b). - Đầu tiên các kênh biến mất và MOSFET bị khoá một cách nhanh chóng, điều này làm iC bước đầu bị giảm đi. Tiếp theo các hạt dư thừa của vùng N- sẽ tái hợp dần và dòng điện iC sẽ giảm chậm. Ta nhận thấy rằng, khi làm việc bình thường dòng điện chạy qua điện trở chưa đủ để chuyển tiếp êmitơ - bazơ của tranzito – NPN trở nên dẫn. Chuyển tiếp côlectơ - bazơ của tranzito này có một điện dung ký sinh làm cực của nó có một điện áp gần bằng điện áp máng- nguồn của MOSFET đầu vào. ở thời điểm dập tắt, nếu điện áp máng – nguồn này giảm quá nhanh, dòng điện qua điện dung ký sinh gửi tới R sẽ phóng và có thể đưa tranzito NPN vào trạng thái dẫn. Như vậy hai tranzito lưỡng cực tác động như một tiristo ở chế độ thác và dòng điện iC không thể được điều khiển bằng điện áp VGE nữa. Giá trị của iC vượt quá giá trị xuất hiện hiệu ứng thác này gọi là dòng điện chốt. Hình 4.7b: Dòng colector iC khi dập tắt Để IGBT có thể điều khiển lại bằng cổng G thì iC phải giảm dưới mức dòng điện duy trì thác. Việc giảm hệ số khuếch đại của các tranzito NPN và PNP có thể tránh được hiện tượng này. Giảm hệ số khuếch đại của tranzito PNP làm tăng điện áp rơi thuận của IGBT, do đó tốt hơn là nên giảm hệ số khuếch đại của tranzito NPN bằng cách sử dụng lớp đệm và khuếch tán sâu P+. Tuy nhiên nếu mở rộng vùng P+ quá mức có thể ảnh hưởng tới dòng điện chốt, ví thế nên thận trọng để vùng khuếch tán P+ không mở rộng vào kênh MOS, vì điều này làm tăng điện áp ngưỡng của MOS. +) Các thông số đặc trưng của IGBT - Điện áp khoá côlectơ - êmitơ VCES : là điện áp côlectơ - êmitơ cực đại ở trạng thái khoá khi cổng và êmitơ ngắn mạch. Sự đánh thủng quy định dòng điện rò và thay đổi theo nhiệt độ với hệ số nhiệt dương. - Điện áp cổng – êmitơ VGES : là điện áp cổng – êmitơ cực đại cho phép khi côlectơ ngắn mạch với êmitơ. Chiều dày và đặc tính lớp ôxít ở cổng xác định điện áp này. Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện côlectơ khi bị sự cố. - Dòng điện côlectơ một chiều iC : là dòng điện một chiều cần thiết để nhiệt độ cực đại của chuyển tiếp không quá , nhiệt độ vỏ . - Dòng điện đỉnh côlectơ lặp lại ICM : là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT có thể chịu được, có tri số cao hơn iC. - Công suất tiêu tán cực đại Pm :là công suất tiêu tán lớn nhất cho phép khi nhiệt độ chuyển tiếp không quá , nhiệt độ vỏ . b. Diode D0 :D0 là đi ốt hoàn năng lượng ,duy trì dòng điện qua động cơ khi bộ băm áp bị ngắt . c. Nguyên lý hoạt động của mạch : Khi có tín hiệu thì có thể K3 đóng hoặc kích mở IGBT động cơ sẽ được cấp điện. Khi K3 đóng động cơ sẽ làm việc ở chế độ định mức, khi kích mở chân của IGBT thì động cơ sẽ làm việc ở hai mức điện áp thấp hơn ứng với hai tần số kích mở khác nhau . 4.2.2. Mạch điều khiển: Từ yêu cầu của mạch lực chúng em đã thiết kế mạch điều khiển như sau: Hình 4.8. Sơ đồ mạch điều khiển máy khoan a. Vài nét về IC LM 567: +) Đại cương IC LM567 là loại IC có vòng khoá pha có khối dao động CCO. Mà mạch dao động CCO( Current Control Oscilator) là loại mạch dao động tạo xung được điều khiển bằng dòng điện. IC 567 có cách ra chân và sơ đồ khối nội bộ như hình 4.10 Hình 4.9: Hình dáng và cấu trúc của IC 567 +) Các chân ra Output Filter C1: Chân nối tụ lọc C1 xuống mass để lọc tín hiệu ngõ ra của mạch so áp vuông pha. Low Rass Filter C2: Chân mắc tụ lọc C2 xuống mass để lọc tín hiệu tần số thấp ở ngõ ra của mạch so pha. Input: Chân nhận tín hiệu ở ngõ vào. +VCC: Chân nối nguồn nuôi VCC, điện áp tối đa là +VCC max= 10V. Timing R: Chân nối điện trơ R giữa hai chân 5 và 6 để xác định hằng số thời gian và tần số cho mạch dao động CCO. Timing C-R: Chân nối tụ lọc C từ chân 6 xuống mass, như một mạch lọc để chạy ổn định tần số do mạch CCO tạo ra. Tần số dao động có trị thay đổi như sau: Ground: Chân nối mass để lấy nguồn nuôi cho IC. Output: Ngõ ra bình thường chân 8 hở mạch V0 VCC, khi tín hiệu ngõ vào có tần số bằng với tần số dao động f0 do mạch CCO tao ra thì Transisto bên trong dẫn bão hoà, V0 0V. +) Nguyên lý: Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo dao động cho ra hai xung vuông có tần số f0 và 2 f0. Để giải thích nguyên lý vận chuyển trong IC 567, ta xét mạch dao động cho ra hai xung vuông có tần số f0 và 2 f0. Điện trở R2 ở chân 5 và tụ C1 ở chân 6 để xác định tần số dao động của IC 567. Trong sơ đồ, tín hiệu xung vuông ở chân 5 được lấy đưa vào chân 3 nên ngõ vào cũng có tín hiệu cùng tần số f0 do mạch dao động tạo ra. Chân 1 là chân có tụ lọc để lọc bỏ xoay chiều ở ngõ ra mạch so áp vuông pha, bây giờ lại để hở, không xó tụ lọc C1. Như vậy, chân 1 sẽ còn tín hiệu xoay chiều ra và tín hiệu này được đưa vào ngõ In+ của mạch khuếch đai so sánh. ậ ngõ ra chân 8 của IC sẽ có tín hiệu xung vuông ra với tần số là : 2f0. Như vậy, chân 8 là ngõ ra một có tín hiệu xung vuông, tần số , chân 3 là ngõ ra hai có tín hiệu xung vuông, tấn số . b. MUX 2:1 (74 LS 257 N) - Sơ đồ chân 74 LS 257 N Hình 4.11: Sơ đồ chân của 74LS257N - MUX 2:1 Có 2 đầu vào dữ liệu, 1 đầu ra địa chỉ S Bảng trạng thái S F 0 D0 1 D1 Công thức tổng quát: Phương trình mạch hợp kênh 2 đầu vào Sơ đồ: Hình 4.12: Sơ đồ mạch hợp kênh hai đầu vào c. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển Sau khi đi tìm hiểu về IC LM 567 tạo ra 2 tần số có xung vuông là f0, 2f0 và tìm hiểu về MUX 2:1 ta có thể phân tích mạch điều khiển như sau: Khi cấp nguồn cho IC LM 567 thì ở chân 3 cho ta tần số f0, chân 8 cho ta tần số 2f0. Hai tần số này đưa vào 2 đầu của MUX 2:1 với đầu ra địa chỉ S được điều khiển bằng PLC và đầu ra S có 2 giá trị 0 và1. Ta có bảng trạng thái sau: S F 0 2f0 1 f0 - Khi S có giá trị là 0 thì đầu ra của MUX 2:1 có giá trị là 2f0 - Khi S có giá trị là 1 thì đầu ra của MUX 2:1 có giá trị là f0 PHẦN 5: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MÁY KHOAN 5.1. Mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan Từ mạch điều khiển và mạch lực chúng em đã thiết kế sơ đồ nguyên lý cho hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan như sau: Hình 5.1: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan 5.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điều chỉnh tốc độ động cơ máy khoan Đầu ra của MUX 2:1 được nối với chân điều khiển của IGBT. Với hai giá trị f0, 2f0 ở đầu ra của MUX 2:1 sẽ kích mở cho IGBT để điều khiển cho động cơ quay với hai tốc độ xác định. - Khi vật có kích thước nhỏ nhất đi qua mà 2 cảm biến không có tín hiệu thì đầu ra của PLC có giá trị là 1 ứng với S có giá trị 1 thì đầu ra của MUX 2:1 có tần số là f0 kích mở cho IGBT điều khiển cho động cơ quay với tốc độ n1. - Khi vật có kích thước trung bình đi qua mà cảm biến 1 có tín hiệu thì đầu ra của PLC có giá trị là 0 ứng với S có giá trị 0 thì đầu ra của MUX 2:1 có tần số là 2f0 kích mở cho IGBT điều khiển cho động cơ quay với tốc độ n2. - Khi vật có kích thước lớn nhất đi qua mà cảm biến 2 có tín hiệu đóng tiếp điểm K3 cấp điện cho động cơ quay với tốc độ n3 PHẦN 6: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG 6.1. Sơ đồ hành trình bước Hình 6.1: Sơ đồ hành trình bước 6.2. Mạch điều khiển điện khí nén 6.2.1. Mô tả phần tử điều khiển và phần tử chấp hành Sử dụng 4 xylanh gồm: - Xylanh đẩy sản phẩm đi ra - Xylanh kẹp sản phẩm - Xylanh khoan sản phẩm - Xylanh đẩy sản phẩm vào thùng chứa Sử dụng 3 van 5/2 tác động đơn (van có một đầu từ đầu còn lại là lò xo) và 1 van 5/2 tác động kép(dùng khoan sản phẩm, có hai đầu từ). 6.2.2. Mạch điều khiển điện khí nén Tín hiệu lôgic đầu vào Tín hiệu logic đầu ra *) Sơ đồ mạch điện khí nén: Hình 6.2: Sơ đồ mạch điều khiển điện khí nén 6.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển điện khí nén: Ở vị trí ban đầu các công tắc hành trình S3, S5, S7 sẽ đóng lại. Khi nhấn Star cấp điện cho công tắc tơ K1 đóng tiếp điểm K1 lại cấp điện cho Y1 và công tắc tơ K3. Khi công tắc tơ K3 có điện mở tiếp điểm thường đóng của K3 ra, Y2 không có điện. Khi Y1 có điện đưa nòng van thứ nhất sang làm việc ở vị trí bên trái xylanh đẩy sản phẩm đi ra chạm vào công tắc hành trình S2(đặt cuối băng tải) đóng tiếp điểm thường mở S2 lại cấp điện cho Y2. Khi Y2 có điện điện đưa nòng van thứ hai sang làm việc ở vị trí bên trái xylanh kẹp sản phẩm đi ra, tiếp điểm thường đóng của S3 mở ra. Xylanh kẹp đi ra chạm vào S4 tiếp điểm thường mở của nó đóng lại cấp điện cho Y3. Y3 có điện điện đưa nòng van thứ ba sang làm việc ở vị trí bên trái xylanh khoan đi xuống, tiếp điểm thường đóng S5 mở ra công tắc tơ K3 mất điện tiếp điểm thường đóng của K3 đóng lại. Khi khoan sản phẩm xong xylanh chạm vào công tắc hành trình S6, đóng tiếp điểm thường mở của S6 lại cấp điện cho công tắc tơ K2. Khi K2 có điện đóng tiếp điểm thường mở của K2 lại và mở tiếp điểm thường đóng của K2 ra. Tiếp điểm thường đóng của K2 mở ra ngắt điện Y1 và Y3, khi Y1 mất điện đưa nòng van thứ nhất sang làm việc ở vị trí bên phải xylanh đẩy sản phẩm ra tự đi về. Tiếp điểm thường mở của K2 đóng lại cấp điện cho Y4 đưa nòng van thứ ba sang làm việc bên phải xylanh khoan sản phẩm đi về chạm vào S5 cấp điện cho công tắc tơ K3. Khi công tắc tơ K3 có điện mở tiếp điểm thường đóng của K3 ra ngắt điện Y2. Y2 mất điện đưa nòng van thứ hai sang làm việc ở vị trí bên phải xylanh kẹp chi tiết đi về, tiếp điểm thường mở của S4 mở ra, tiếp điểm thường đóng của S3 đóng lại cấp điện cho Y5. Khi Y5 có điện đưa nòng van thứ tư sang làm việc ở vị trí bên trái xylanh đẩy sản phẩm vào hộp đi ra, tiếp điểm thường đóng của S7 mở ra ngắt điện công tắc tơ K1. Khi công tắc tơ K1 mất điện tiếp điểm thường mở của K1 mở ra ngắt điện toàn bộ mạch điện. PHẦN 7: THIẾT KẾ VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA TOÀN HỆ THỐNG Chúng tôi dùng PLC để điều khiển cho toàn bộ hệ thống do bộ PLC có nhiều ưu điểm nổi bật so với những bộ điều khiển khác: Đơn giản, dễ dàng thay đổi khi lập trình. Tin cậy trong môi trường công nghiệp. Cạnh tranh được giá thành với các bộ điều khiển khác. 7.1. Mô hình của toàn bộ hệ thống 7.2. Yêu cầu của hệ thống: Khi ấn nút nhấn Start động cơ băng tải quay, băng tải sẽ quay. Dùng một cảm biến nhận biết trong hộp có sản phẩm hay không, cảm biến”CB1” này sẽ tác động vào xylanh đẩy sản phẩm ra băng tải. Trên băng tải có gắn hai cảm biến “CB2, CB3 vàCB4” đây là ba cảm biến nhận biết hai kích thước lớn nhất của sản phẩm, khi hai cảm biến này có tín hiệu thì mạch điều khiển động cơ quay với ba tốc độ tương ứng là n1,n2,n3. Đồng thời sẽ mở ba nắp hộp tương ứng với từng sản phẩm vào thùng chứa. ở cuối băng tải ta đặt một cảm biến “CB5” cảm biến này nhận biết sản phẩm.Khi có sản phẩm đi qua tác động vào xylanh kẹp sản phẩm đi ra. Xylanh kẹp đi ra chạm vào công tắc hành trình tác động vào xylanh khoan đi xuống khoan chi tiết, khoan xong quay về tác động vào xylanh kẹp chi tiết và xylanh kẹp chi tiết đi về tác động vào xylanh đẩy sản phẩm vào ba thùng chứa tương ứng kết thúc một chu trình. 7.3. Bảng Symbols (bảng quy định vào ra). 7.4. Chương trình điều khiển toàn bộ hệ thống LỜI KẾT Sau khi nhận đề tài chúng em xác định rõ nhiệm vụ và trách nhiệm của mình với đề tài được giao. Qua việc nghiên cứu đề tài tham khảo tài liệu cộng kiến thức đã học, cùng với sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo ĐỖ TUẤN KHANH cùng giúp đỡ của bạn bè cùng với sự lỗ lực của bản thân đến nay đề tài của chúng em đã hoàn được thành. Trong quá trình hoàn thành đề tài chúng em còn nhiều sai sót và còn nhiều trường hợp trong thực tế không giải quyết được. Chúng em mong các thầy cô giáo và bạn bè trong ngành đóng góp ý kiến cho chúng em để những đề tài về sau tốt hơn. Với thời gian có hạn nên một số phần chúng em chưa được hoàn chỉnh, chúng mong các bạn ra sau sẽ phát huy khả năng và vốn kiến thức của mình để làm tốt hơn. Trong quá trình hoàn thành đề tài, chúng em đã trình bày một cách ngắn gọn, dễ hiểu và có hệ thống giúp cho bạn được thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Chúng em rất mong thầy cô giáo và bạn bè đóng góp ý kiến để chúng em hoàn thành tốt hơn những phần được giao sau. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ĐỖ TUẤN KHANH Giảng Viên khoa Điện - Điện Tử đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này! Hưng Yên, Ngày15 tháng 8 năm 2006! Sinh viên thực hiện : Nguyễn Xuân Quý Trấn Nhân Quý Hà Thị Yến TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Hệ thống điều khiển bằng khí nén, tác giả: Nguyễn Ngọc Phương, Nhà xuất bản giáo dục. 2. Máy điện I, II , nhóm tác giả: Vũ Gia Hành(chủ biên) - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3. Truyền động điện nhóm tác giả: Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội. 4. Tổng quan PLC S7-300 của thầy Phạm Thanh Tùng Giảng viên trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên 5. Giáo trình kỹ thuật điều khiển động cơ điện, Vụ trung học chuyên nghiệp- dạy nghề, Nhà xuất bản giáo dục. 6. Kỹ thuật xung căn bản và nâng cao, tác giả: Nguyễn Tấn Phước- Nhà xuất bản TP Hồ Chí Minh. 7. Điện tử công suất lý thuyết- thiết kế - ứng dụng, tác giả Lê Văn Doanh- Nguyễn Thế công, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội.