án động cơ bước pot

Mặt khác vì phần tử điều chỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là mạch có công suất nhỏ, nên độ tinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòn

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ

ĐỘNG CƠ BƯỚC

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

I Giới thiệu về động cơ một chiều

Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ Khi sử dụng động cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo

Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác động làm cho rô to quay Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái

Phương trình điện áp:

U = Eư + Rư Iư

Trong đó: Eư làsức phản điện

Iư là dòng điện trong dây quấn phần ứng

Rư là điện trở của dây quấn phần ứng.

U là điện áp đưa vào

Sức điện động của động cơ điện một chiều:

φ

n a

PN Fu

60'=

Trong đó : p là số đôi cực từ chính

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng

a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây

n là tốc độ quay (vòng / phút)

φ là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb)

Mômen điện từ của động cơ:

φ

π .

Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n

Ta có phương trình: Eư = U – Rư Iư

Thay trị số Eư = kE φ n

Ta có phương trình tốc độ:

Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

 Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm Tổn hao trên

φ

.

, ,

E

u u

K

I R U

φ

,

M

u K

M

I =

M R R U

n u, + P

−

=

Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp cho động cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều

 Thay đổi từ thông:

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ

Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau

Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng Đây là ưu điểm lớn của động

cơ điện một chiều

4 Đặc tính động cơ điện kích từ song song

Đường đặc tính cơ: n = f(M)

Ta có : M = KM Iư .φ

⇒

Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp

, , E E K KU R u I u n = φ − φ M K K R K U n M E u E 2

,

φ

φ −

=

Iư

+

-+ A1

A2

+ -F1

F2 Ikt

Kích từ song song

Đường đặc tính cơ

 Đặc tính làm việc:

Đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không thay đổi Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất η theo công suất có trên trục P2 :

Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P2 thay đổi nên được dùng trong máy cắt kim loại, máy công cụ Điều chỉnh tốc độ với yêu cầu cao sẽ được dùng động cơ kích từ độc lập

P2

In

M

Iưn

η

M

RP = 0

RP ≠ 0n

k M

=φ

5 Đặc tính động cơ điện kích từ độc lập

Ưu điểm: khi làm việc máy không bị ảnh hưởng bởi Ikt

Nhược: tốn kinh phí do nguồn kích

6 Đặc tính động cơ điện kích từ nối tiếp

I = IƯ = Ikt

Iư = kI φ

M = kM IƯ φ = kM kI 2 = k2 φ2 hay Với M

Kích từ nối tiếp

-+V

Iư+-

Ta có:

Đặc tính cơ

Phương trình đặc tính có dạng Hyperpon _ đặc tính cơ mềm, dễ thay đổi tốc độ hơn kích từ song song Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc độ Do đó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ

 Đặc tính làm việc:

Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn n

E

u I

E k

R k M k

U k

ngh

Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ với bình phương dòng điện, tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề.

7 Đặc tính động cơ điện kích từ hỗn hợp

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm từ thông

Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) ở hình trên

423

1n

MĐặc tính cơ

Kích từ hổn hợp

Iư

-+

Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ chính, dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ.

Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố định khi momen thay đổi Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi

II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Trong công nghiệp đòi hỏi có nhiều cấp tốc độ khác nhau, tùy theo yêu cầu cần thiết mà người ta chọn cấp tốc độ này hay cấp tốc độ khác Để có các cấp tốc độ khác nhau, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hay thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động

Thông thường để chỉnh tinh tốc độ ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động, các phương pháp điều chỉnh sau:

1 Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện

- Điều chỉnh điện trở của mạch phần ứng

- Điều chỉnh kích từ của động cơ

Phương pháp điều chỉnh này có tốc độ cứng, đặc tính cơ giảm nên độ chính xác trong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh điều chỉnh kém Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn mạch giảm, nghĩa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém

Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện

2 Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ.

- Hệ thống máy phát- động cơ

- Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ

Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung được đánh giá tốt.

Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng Đặc tính cơ điều chỉnh đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn hao năng lượng thấp Bởi vì đặc tính cơ của phương pháp tuy mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên nhưng cứng hơn khi dùng phương pháp điều chỉnh thông số Mặt khác vì phần tử điều chỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là mạch có công suất nhỏ, nên độ tinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòng kín

Nhược điểm: là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản và vận hành phí cao Tuy nhiên với các ưu điểm trên, phương pháp này tạo được năng suất cao, tổn thất năng lượng ít do đó được sử dụng rộng rãi

3 Điều chỉnh sơ đồ

- Sơ đồ phân mạch phần ứng

- Sơ đồ dùng hai động cơ DC liên kết nối cứng với nhau

- Sơ đồ dùng hai động cơ liên kết nối hở với nhau

4 Phương pháp điều rộng xung

Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là hằng số Yêu cầu là mạch có khả năng đóng ngắt ở tần số cao, có thể đóng ngắt riêng cho từng ngắt khác nhau Các loại mạch này thích hợp cho các mạch động lực dùng transistor công suất, việc đóng ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được các độ rộng xung trong một chu kỳ thì ta có thể hạn chế được sóng hài bậc cao

Với những nhận xét ưu điểm của bốn phương pháp điều chỉnh trên ta nhận thấy: Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dải điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất lượng điều chỉnh cao, ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp điều rộng xung nghĩa là thay đổi được ton và fxung= 1/T = const

III CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng các khâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển vòng hở và chỉ bằng tay.

Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây:

1 Sai số tĩnh tốc độ

Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt Nó là giá trị tương đối của độ sụt tốc ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tải lý tưởng

ω : Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trị đặt

Vì đặc tính cơ của hệ thống là đường thẳng nên ta có quan hệ:

∆ω = MβC

od C

M S

ωβ

Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ β, tốc độ đặt khi không tải lý tưởng ωod và phụ tải trên trục động cơ Mc

Sai số ∆ càng nhỏ nghĩa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt

Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương pháp điều chỉnh thông số có S lớn còn phương pháp điều chỉnh nguồn thì S nhỏ hơn nhiều

2 Phạm vi điều chỉnh

Phạm vi điều chỉnh D là tỉ số giữa tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất ứng với phụ tải đã cho.

dm qt cMAX

Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải định mức.

ωmin = (Kqt.Mđm – Mđm)tgα (1-5)Suy ra:

ωmin = Mđm(Kqt - 1).1/β

Từ (1-4) và (1-5) ta có:

1

1)

1(

* 0

dm MIN

MAX

K M

ω

(1-6)Trong đó:

*

* 0

b u

dm R R

=ω ββ

Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: β*

Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thì phải điều chỉnh D được xác định theo sai số tốc độ cho phép (scp) ứng với đường đặc tính thấp nhất ta có:

min 0 min

0

min min 0

ω

ωω

MIN MIN

M

+

=0

Thay vào phương trình (1-7)

cp

cp MIN

M S

S

1−

dm cp

cp dm MIN

MAX

M S

S M D

)

1(

.0

ωω

2

).(

Φ+

=+

=

=

K

R M I

R I E

I E P

P

u u

u

ω

ωη

Trong đó:

ω

2 2

1

.)

.(

M R K

R M M

P P

P

+

=Φ+

=

∆+

*

*

) (

.1

ωβ

Ngoài tổn hao trong phần ứng còn có tổn thất trong các thiết bị biến đổi Khi đó hiệu suất của toàn hệ thống là:

η = ηư +ηsc

Trong đó:

ηsc: hiệu suất của thiết bị biến đổi

4 Hệ điều khiển

Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC phân thành hai loại:

- Hệ thống hở.

- Hệ thống kín

a Hệ thống hở

Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc khống chế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu vào Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bị điều khiển

Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở

• Nguyên lý điều chỉnh

Đối với động cơ DC khi giữ điện áp phần ứng không đổi, ta thay đổi độ rộng xung kích thì tốc độ của động cơ sẽ thay đổi và tránh được những biến động lớn về gia tốc và động lực trong hệ

Hình1_3: Sơ đồ nguyên lý tổng quát

Bộ biến đổi đảo chiều có nhiệm vụ thay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ

b Hệ thống kín

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

Bộ ĐảoChiều

Vi+-

vào bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển và thông qua bộ biến đổi điều chỉnh lại tốc độ động cơ tương ứng với giá trị tín hiệu đặt.

Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tĩnh tương đối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng không đủ lớn Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc tốc độ không tải lý tưởng giảm Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ người ta thường dùng hệ kín để giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh Vì sai số tĩnh của tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hóa trong hệ là làm tăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông số điều chỉnh phải thay đổi tự động theo giá trị phụ tải sao cho đủ khả năng bù trừ lượng sụt tốc do tải gây ra Do đó người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín

• Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín

Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp cung cấp phần ứng động cơ Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh nhờ thay đổi tốc độ không tải lý tưởng n0 Còn độ cứng của đặc tính cơ β được giữ nguyên như hình vẽ:

Hình1_5Giả sử các đặc tính của hệ có độ cứng là β và khi điều chỉnh đến tốc độ

ωmin thì sai số tĩnh vượt quá giới hạn cho phép

MIN

MIN MIN

5 Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín

Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, điều khiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu Vì thế hệ thống đòi hỏi yêu cầu chính xác cao nghĩa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình biến đổi tải, nên giải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín

Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là:

ωt = ωđ + ωht

Tín hiệu điều khiển (Uđk) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp phần ứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt

UKhối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

-Đây là vấn đề chủ yếu trong hệ kín.

Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính xác cao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bị hạn chế, tính được hàm truyền với ẩn số là Iư

u

u u

u u

u

u u

u

T S

s E s U R s L R

s E s U s

I

.1

)()(

1)(

)()()

T S

s M s M S

J B

s M s M s

.1

)()(

1

)()()

(

+

−

=+

−

=

β

với : T M = βJ : Hằng số cơ

6 Hàm truyền của động cơ kích từ độc lập

Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ

Phương trình cân bằng điện áp

dt

dI L I R E

u u u

Vkt

+-

-Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ.

M =M t +B.ω

dt

d J B M

(1

)()

()()

(1

)()

(

2 2

2

1 1

s H s G

s G s

U s H s G

s G

+

++

.1(

).1(

1 ).1(

1)

(1

M u

u

M u

u

T s T

s R

B

K

B T s

K T s R

s G

++

u

u s T R

K s

H

+

∑Φ

(( )) ( )2 . (.1 . )(1 . )

M u

u

u K R B s T s T

K s

I

s

++

∑+Φ

Φ

=

ω

(1-28)

Ta thấy rằng Tu≤ TM nên:

Vậy (1-27) được viết lại là:

M u

u u

M u

u

T B R K

R s

B R K

K T

s B R K

K s

I

s

∑+Φ

∑+

∑+Φ

Φ

=+

∑+Φ

Φ

=

2

2 2

)(.1

1

)(

.)

.1()

(

.)

(

)(ω

K

B

R T

∑ +

Φ

)(

)(

M

M

u s T

K s

K T

s B

K s

I

s

.1).1()(

)

+

=+

).1().1)(

.1( +s T u +s T M ≈ +s T M

) 1 (

1

M

T s

Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kínSử dụng công thức (1-31) ta có:

1

2 1

.1.)

(

)(.)(

)()(

)(

M

M M

M u

u

T s K

K s U

s s

s I s U

s I

M M

∑+Φ

=

2 1

).(Vậy:

1 1

.1

.1)

(

)(

M

M M

u

u

T s

T s K

s U

s I

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ DÙNG TRANSISTOR

1

1

1

) 1 (

M

M M

T s

T s

K

+

Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp sau:

a Đảo chiều dòng kích từ

Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một bộ tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ Phương pháp này đơn giản về mặt thiết bị, giá thành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản Nhưng do quán tính mạch từ của mạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể đến vài giây

b Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp điểm đảo chiều trong mạch phần ứng

Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ đồ tương đối đơn giản Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch động lực Ta sử dụng quy luật điều khiển bộ biến đổi để đảm bảo đóng cắt tiếp điểm khi dòng phần ứng gần bằng không, nhưng khi đó tác động của hệ thống trong các quá trình quá độ phải bắt buộc diễn ra theo trình tự nhất định, do đó làm tác động nhanh

c Đảo chiều cực tính điện áp trên mạch phần ứng dùng bộ biến đổi kép

Phương pháp này tuy phức tạp nhưng tránh được những nhược điểm của hai phương pháp trên Bộ biến đổi kép gồm hai bộ biến đổi đơn, một để tạo điện áp thuận, một tương ứng với điện áp ngược Tương ứng với hai chiều quay của động cơ Việc bố trí hai bộ biến đổi đơn thành bộ biến đổi kép được thực hiện như sau:

Tùy theo giá trị điện áp Uđk mà xung kích điều khiển cả hai bộ biến đổi thay đổi Như vậy một bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia sẽ hoạt động trong chế độ nghịch lưu

Ta có:

Ud = Ud1 – Ud2

Ud: Điện áp trung bình đặt lên động cơ

Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng với điện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào khoá đảo chiều quay của động cơ.

2 Chế độ làm việc

a Chế độ làm việc xác lập

Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận tốc không đổi ứng với vận tốc nào đó Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ biến đổi làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ và không có tác dụng gì đối với tải

b Chế độ máy phát

Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các khoảng ton khác toff nên khi có xung kích thì dòng qua tải là tăng dần lên đến điểm cuối của ton thì dòng qua tải giảm dần, lúc này là động cơ trả năng lượng về lưới nên động cơ được xem như máy phát, đến khi động cơ được kích dẫn bởi xung kế tiếp thì lúc đó dòng bắt đầu tăng lên

c Đảo chiều quay động cơ

Để thay đổi chiều quay của động cơ ta cần đổi dấu điện áp quy định vận tốc Theo lý thuyết, vận tốc của động cơ không thể thay đổi tức thời được vì trong động cơ còn có cuộn kháng do đó dòng Iư chưa giảm về không thì bộ biến đổi hai đã được kích bởi khóa đảo chiều và dòng điện phần ứng lập tức đổi dấu và động

cơ ở chế độ hãm ngược Lúc này bộ biến đổi hai làm việc tích cực còn bộ biến đổi một ở trạng thái chờ và buộc động cơ phải quay theo chiều ngược lại đến già trị xác lập

Xung kích

Iư

Giản đồ xung kích

CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC

I Khái niệm

Điều khiển vị trí động cơ DC là một hệ thống điều khiển được sử dụng rộng rãi hiện nay như điều khiển robot tay máy, cơ cấu ăn giao máy cắt gọt kim loại, kính viễn vọng…công suất có thể từ hàng chục watt đến hàng trăm kw

Chỉ tiêu chất lượng được quan tâm nhiều nhất trong cơ cấu này là độ tác động nhanh, nó phản ánh qua giãn đồ tối ưu về tốc độ w(t), gia tốc a(t), vị trí ϕ(t)

Có thể điều khiển vị trí bằng các phuong pháp: dùng khâu hiệu chỉnh PID, dùng logic mờ hay dùng các vòng phản hồi tốc độ

II Điều khiển vị trí dùng PID

Phương pháp này rất hay được dùng trong công nghiệp vì nó lấy ưu điểm của từng khâu P, PI, PD

1 Dạng liên tục của khâu PID

Cấu trúc của khâu PID gồm có:

Thành phần UP (t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trị đặt

Thành phần UI (t) là tích phân theo thời gian của sai số

Thành phần UD (t) là đạo hàm theo thời gian của sai số

Hàm điều khiển: Ut (t) = U0 + k [e(t) + ∫ + ]

'.)'()'(

1

dt

de Td t d t e Ti

= U0 + UP (t)+ UI(t)+ UD(t)Trong đó:

K là độ lợi của hàm điều khiển

t’ là biến tích phân

Hàm điều khiển còn có thể biểu diễn dưới dạng biến đổi Laplace như sau:

U(s) -Uo (s) =δ.U(s)= UP(s)+ UI(s)+UD(s)

= K.[1+1/Ti.s+Td.s] E(s) = K.[1+Tis + Ti.Td.s]E(s)/Tis

 Khâu PID viết ở dạng rời rạc:

Ta cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể được xác lập bởi một sai phân có giới hạn ;Và tích phân qua việc lấy tổng.Chúng ta quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm khác nhau,với sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu:

e(kh)=uc (kh) - y(kh)Với h là chu kỳ lấy mẫu

2 Chức năng cụ thể các thành phần trong PID

Khâu tỉ lệ (P) : Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập Nhưng với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố và có thể không chấp nhận được với mạch động lực

Khâu vi phân tỉ lệ (PD) : đưa vào hệ thống làm giảm độ vọt lố,đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn.Hệ có sai số xác lập bằng 0 với đầu vào hàm nấc và là hằng đối với đầu vào hàm dốc

Khâu tích phân tỉ lệ (PI) : có mặt trong hệ thống làm triệt tiêu sai lệch chuẩn

Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ(PID) : kết hợp những ưu điểm của khâu

PI và PD ,có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt,khử chậm pha.Sự có mặt của khâu PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn tới sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac δ(t)

3 Cách tính KI, KP, KD

Theo nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler_Nichols: các hệ số KI,KP,KD được xác định từ L và T với L và T được xác định từ tiếp tuyến cuả quỹ đạo quá độ của đầu vào như hình vẽ:

Kp = 1,2.T/L

Ki = Kp/(2L)

Kd = 0,5T.KpGc(s)= Kp(1+1/Tis+Tds) = Kp+Ki/s+Kds

III ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG LOGIC MỜ

Để xử lý thêm các tín hiệu đo và tăng thêm khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay thế ở bước đầu tiên bộ hiệu chỉnh kinh điển bằng các bộ hiệu chỉnh mờ và phát triển thêm hệ điều khiển dựa trên cơ sở của bộ điều khiển mờ này để có được các tính chất mong muốn

IV ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG VÒNG PHẢN HỒI

Phương pháp này gồm ba vòng phản hồi: vòng vị trí ở ngoài cùng và tạo tín hiệu đặt cho vòng tốc độ, ngõ ra của vòng tốc độ lại là tín hiệu đặt cho vòng dòng điện

Tín hiệu vị trí được xác định từ bộ giải mã vị trí là tín hiệu hồi tiếp cho

K

ty(t)

Tín hiệu sai lệch tốc độ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại có giới hạn(II) rồi trở thành giá trị đặt cho vòng dòng điện.

Tín hiệu sai lệch dòng điện (dưới dạng áp đặt) được khuếch đại bởi bộ khuếch đại (III) và đưa vào điều khiển bộ biến đổi tạo điện áp phần ứng thích hợp Việc đưa thêm vòng dòng điện vào có tác dụng tránh sự tăng giảm dòng điện quá mức khi khởi động và khi sai lệch vận tốc lớn

IIIII

I

Máy phát tốc Động cơ

Giải mã vị trí

Biến đổiKhuếch đại KĐ có giới hạn Khuếch đại

Vòng dòng điệnĐiện áp tỉ lệ dòng điệnVòng tốc độ

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Trong hệ thống tự động và trong máy tính điện tử ngày càng sử dụng rộng rải hệ thống truyền động rời rạc

Các hệ thống truyền động rời rạc này thực hiện nhờ loại động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước

Động cơ bước thường là động cơ đồng bộ dùng để phổ biến các tín hiệu điều khiển dươí dạng các xung điện áp thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor và có khả năng cố định rotor vào những vị trí cấn thiết

Động cơ bước làm việc được nhờ có bộ chuyển mạch điện tử , để đưa tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển và tần số chuyển đổi

Động cơ bước được chia thành hai loại, động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở thay đổi( cũng có loại động cơ phối hợp cả hai loại trên ) cách chia cũng phụ thuộc quan điểm người sử dụng

Nếu đánh mất nhãn trên động cơ ta có thể tổng quát nêu lên được hai khác biệt bởi cảm nhận được qua giác quan Động cơ nam châm vĩnh cửu có xu hướng “khớp “ khi ta dùng tay xoay rotor trong khi động cơ từ trở thay đổi hầu như quay tự nhiên, ta cũng có thể phân biệt được sự khác nhau khi dùng một Ohm-Metter động cơ từ trở thay đổi thường có ba hay bốn cuộn dây với một đầu chung trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu luôn có hai cuộn dây độc lập có hay không có đầu nối ở tâm (loại nam châm vĩnh cửu đơn cực thường dùng )

thường có thể điều khiển được 1.8 hay ngay cả 0.72 độ cho mỗi bước Với bộ điều khiển thích hợp, động cơ nam châm vĩnh cửu và hổn hợp có thể hoạt động ở chế độ Hafl-Step, một số bộ điều khiển có thể điều khiển ở các bước rất nhỏ gọi là micro-step.

Cho cả động cơ nam châm vĩnh cửu lẫn từ trở thay đổi nếu cấp điện cho cuộn dây rotor sẽ chuyển động nhanh tới một góc cố định và giữ góc đó đến khi moment quay vượt quá moment giữ của động cơ ở lúc này rotor sẽ quay và cố giữ cho đến điểm kế tiếp

I ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Hình 3.1Nếu động cơ có 3 cuộn dây thường được kết nối như hình với một đầu chung cho tất cả các cuộn dây Khi sử dụng cuộn dây chung thường được đưa vào nguồn dương và các cuộn dây độ nối mức thấp tuần tự

Theo hình trên động cơ từ trở thay đổi có mỗi bước là 30 độ rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực với mỗi cuộn dây được bao phủ bởi 2 cực đối diện Khi cuộn dây 1 được cấp năng lượng răng rotor được đánh dấu X sẽ

bị kéo về cuộn dây này Nếu dòng điện qua cuộn dây 1 bị ngắt và cuộn dây 2 được nạp rotor sẽ quay 30 độ theo chiều đồng hồ để cực đánh dấu Y sẽ thẳng hàng với cực đánh dấu 2

Để quay động cơ liên tục ta phải cấp nguồn cho ba cuộn dây một cách tuần tự Giả sử dùng mức logic 1 tương ứng cấp điện cho cuộn dây Hình sau minh hoạ cách điều khiển:

Winding 3 0010010010010010010010010

time >

Cũng có loại động cơ từ trở thay đổi có từ 4 đến 5 cuộn dây hoặ hơn nữa Cách điều khiển cũng tương tự như cho 3 cuộn dây Nhưng điều quan trọng là xác định chính xác thứ tự các bước Dạng động cơ ở trên có 30 độ cho mỗi bước dùng rotor dạng răng, stator có số cực ít nhất Dùng rotor có nhiều răng sẽ được động cơ có góc bước nhỏ hơn

II ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC

Hình 3.2 Động cơ bước đơn cực cả nam châm vĩnh cửu lẫn động cơ bước hỗn hợp có 5 hay 6 đầu dây thường dùng sơ đồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây Khi sử dụng các kết nối giữa của cuộn dây thường được kết vào nguồn cung cấp dương và hai đầu của mỗi cuộn dây được nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta sẽ xác định chiều quay rotor

Động cơ mô tả ở trên là loại động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp mỗi bước tương ứng 30 độ Cuộn dây số một của động cơ được định ở giữa cực trên và cực dưới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của động cơ được định giữa cực trái và phải của động cơ Rotor động cơ nam châm vĩnh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc được sắp xêáp vòng tròn

Cho độ phân giải cấp cao hơn rotor động cơ phải có nhiều cực hơn loại động cơ 30 độ cho mỗi bước ở trên là một trong các thiết kế động cơ điện phổ

Như trong hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm giữa cuộn dây tới điểm cuối là nguyên nhân gây ra cho đỉnh của cực stator là bắc trong khi đó cực dưới lại nam , nó hút rotor về vị trí như hình vẽ Nếu ta ngưng cấp điện cho cuộn thứ nhất và cấp điện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 độ hay một bước.

Để cho động cơ quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây tuần tự Hình sau sẽ minh hoạ cho động cơ quay theo chiều thuận:

Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta được cách điều khiển theo kiểu hafl-step:

Như vậy động cơ có cấu tạo đơn giản hơn tuy nhiên mạch điều khiển để đổi chiều quay thì phức tạp hơn nhiều

Mạch điều khiển động cơ yêu cầu là mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho mỗi cuộn dây Mạch cầu H cung cấp năng lượng 1 cách độc lập mỗi đầu cuộn dây Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bước động cơ như sau:

Với loại 5 phase động cơ sẽ có 10 bước cho mỗi chu kỳ lặp lại:

Terminal 1 +++ -+++++ -++

Terminal 2

Để nhân ra động cơ này với 5 dây ta thấy từ trở giữa hai đầu liên tiếp của động cơ là R thì điện trở giữa hai cuộn dây không phải liên tiếp là 1.5 R.

Chú ý rằng một loại động cơ 5 phase loại này có thể mắc song song với 10 dây Những loại dây này được nối hình sao như hình vẽ dùng 5 nữa cầu H để điều khiển hoặc mỗi cuộn dây được điều khiển bởi mạch cầu H đầy đủ

V CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN

Ở phần này em xin giới thiệu một số mạch điều khiển động cơ bước, mạch tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc của từng động cơ khác nhau

1 Mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi

Hình 3.5

Các tín hiệu dùng để đóng mở các khoá cho phép cung cấp điện động cơ làm motor quay Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển là PC hay PLC với một phần mềm thích hợp để điều khiển đóng ngắt một cách tuần tự cho phép động cơ quay theo ý muốn.

Cuộn dây động cơ, cuộn dây soilenoide và các thiết bị tương tự điều gây

ra hiện tượng cảm ứng do đó dòng điện trong cuộn dây không thể tăng giảm một cách đột ngột khi ta ngắt các khoá analog dòng điện không thể về 0 ngay tức thì mà phải mất 1 thời gian nhất định nào đó Kết quả là gai điện áp xuất hiện làm hỏng các khoá nếu không dùng thiết bị phù hợp Có hai cách để khác để khắc phục tình trạng này là mắc đối song các cực của cuộn dây động cơ với một diode hoặc cách khác là dùng tụ

Diode ở trên cho phép dẫn toàn bộ dòng trong mỗi cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn trong thời gian ngắn mỗi khi khoá bị ngắt, dòng điện sẽ giảm về 0 Nếu ta dùng họ diode ít phổ biến như là 1N400X được dùng với các khoá đóng ngắt nhanh thì ta nên dùng tụ mắc song với diode

Tụ ở sơ đồ trên sẽ đưa ra một số vấn đề khi thiết kế Khi nó được kích đóng tụ xả năng lượng qua khoá xuống đất và khoá phải chịu được các xung áp khi tụ xả trong một thời gian ngắn

Điện trở trong mạch và nguồn cung cấp sẽ giới hạn dòng này Khi khóa được mở năng lượng tích trữ trong cuộn dây motor sẽ nạp năng lượng cho tụ có đặc tính là áp cao hơn nguồn và khoá phải chịu được áp này

Ta có thể tính toán tụ theo phương trình năng lượng:

C: giá trị tụ điện (F)

V: điện áp đặc lên tụ (V)

L: Trở kháng cuộn dây (H)

I: dòng qua cuộn dây(A)

Vb: điện áp đánh thủng của khóa

Vs :áp nguồn cung cấp

Động cơ bước từ trở thay đổi tuỳ thuộc vào góc cắt như vậy khi thiết kế ta chỉ có thể chọn giá trị của tụ chứ không tính toán chính xác được Thêm vàođó ta không phải lúc nào cũng xác định được độ tự cảm của cuộn dây

Nếu tụ điện và cuộn dây của động cơ được nối mạch cộng hưởng dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây của động cơ và như vậy moment ngoài của động cơ sẽ khác trạng thái tĩnh của moment Tần số cộng hưởng sẽ là:

Khi hai hiện tượng xảy ra gần nhau nó làm giảm moment động cơ về 0 một cách chanh chóng.

2 Mạch điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp

Hình 3.7 Cũng tương tự như trên bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng để đóng hay mở các khoá cho phép năng lượng cung cấp cho các cuộn dây một cách tuần tự

Với mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi chúng sinh dòng điện cảm ứng làm hỏng khoá khi khoá bị khích ngắt ta phải mắt thêm 4 diode như sau:

Hình 3.8 Các diode thêm vào là bắt buộc bởi vì cuộn dây của động cơ không là hai phần điện cảm riêng biệt, chúng được nối chung với nhau như hình vẽ và được nối với một điện áp cố định Trong hai đầu dây còn lại nếu một đầu được đưa xuống mức thấp thì đầu còn lại phải đưa lên mức cao và ngược lại Khi một khoá đang chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái ngắt thì dòng điện cảm ứng sinh ra có thể làm hư mạch, điều này được hạn chế bằng diode.

Một tụ điện cũng có thể được sử dụng để hạn chế điều trên:

Hình 3.9Cách tính giá trị tụ tương tự như hình trên nhưng các thông số cộng hưỡng thì khác Với một động cơ bước nam châm vĩnh cửu nếu tụ hoạt động gần tần số cộng hưởng thì moment sẽ tăng gấp đôi kết quả là đồ thị moment và tốc độ sẽ phức tạp:

Hình 3.10

3 Mạch cầu điều khiển động cơ bước lưỡng cực và cầu H

Điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực thì phức tạp hơn nhiều vì không có cuộn dây ở giữa mỗi cuộn dây động cơ vậy để đảo chiều động

cơ một cách trực tiếp chúng ta phải đảo chiều dòng điện ở mỗi cuộn dây Ta phải dùng hai cặp cực ghép với mỗi khoá để tạo ra điện trường mong muốn, mạch này thường được gọi là mạch cầu H:

Hình 3.11Như đã đề cập, mạch cầu H phải được bảo vệ xung áp khi đóng khoá, do đó ta phải dùng diode như hình

Cầu H không chỉ có giá trị điều khiển động cơ bước lưỡng cực mà còn để điều khiển động cơ DC servo và nhiều thiết bị khác nữa

Với 4 khoá cầu H có thể tạo ra được 16 trạng thái, trong đó có 7 trạng thái làm ngắn mạch nguồn Những trạng thái sau được dùng: