37 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ i tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ khác là thiết bị điều khiển. 3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thố ng điều khiển mạch vòng kín ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1 Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ ĐTĐK là đối tượng điều khiển TBĐK là thiết bị điều khiển u là tín hiệu đặt đầu vào y là tín hiệu đầu ra e là sai lệch u đk là tín hiệu điều khiển 38 Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển u đk để điều khiển đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào. 3.2 Cảm biến tốc độ Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp khác nhau và mỗi một phươ ng pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau. Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday: d e=- dt φ (3.1) Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng: Φ(x) =Φ o (x).F(x) (3.2) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay. Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ 39 tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó tín hiệu ra của cảm biến. o dF(x) dx e=- dx dt φ (3.3) Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ). Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)… 40 Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết dưới dạng: f = p.N (3.4) Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩ a và N là số vòng quay của đĩa trong một giây. Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay là mộ t hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến. - Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ. Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơ n thế nữa việc xử lý tín hiệu ra của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang. Cảm biến quang Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên hình 3.4. - Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V - Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi của điểm sáng. 41 - Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so sánh như Hình vẽ 3.3. Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo. Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234 42 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang - Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu vào vi xử lí. Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo hiệu có tín hiệu hay không. 43 Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm biến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến. + Nguyên lý hoạt động Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấm phản xạ có độ ph ản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm và các cặp thu phát được đặt song song với nhau. Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vào đảo (U - ) và không đảo (U + ) của mạch so sánh. Nếu U + >U - Thì đầu ra U ra sẽ có mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp. Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạt quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần thu. Lúc này do tính chất cấ u tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U - ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U + ≈ 2V. Lúc này U + > U - nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp U ra ≈ 5V. Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi của nó U - ≈ 5V. Lúc này thì U + < U - nên ở đầu ra sẽ có mức thấp U ra ≈ 0V. 44 Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt được tính theo công thức: f = p.N (3.5) Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút. Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến theo quan hệ như công thức (3.5) Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các con so sánh đều được cho qua một cổng NOT. 3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tần trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện áp và dòng điện thoả mãn với các thông số củ a động cơ và đặc biệt là có tần số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một 45 luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều khiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành xây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm. Thông tin hệ thống Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ống dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió. 3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển . điều khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ i tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều khiển. . hệ thống điều khiển tự động là đo được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho. hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ kế một chiều (máy phát tốc) , tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ). Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ Phương