nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều ở phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp thái nguyên để ứng dụng vào sản xuất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MẠNH NGÀ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MẠNH NGÀ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI

NGUYÊN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MẠNH NGÀ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI

NGUYÊN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

PGS.TS VÕ QUANG LẠP

PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Ngà

Sinh ngày: 16 tháng 7 năm 1975

Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái

Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “Nghiên cứu khảo sát

hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất” được thầy

giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hướng dẫn; các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra

trong luận văn Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Mạnh Ngà

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Võ

Quang Lạp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm

đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận vẫn còn những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Mạnh Ngà

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG 2

PHÒNG THÍ NGHIỆM 2

1 Sơ đồ khối 2

2 Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ 2

2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 2

2.2 Giới thiệu biến tần 4

2.2.1 Thông số kỹ thuật: 4

2.2.2 Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian 6

2.3 Giới thiệu PLC 9

1.3.1 Cấu tạo 10

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 11

2.3.3 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của PLC 12

2.3.4 Giới thiệu tự động hóa với SIMANTIC S7 - 300 13

2.3.4.1 Các module của PLC S7-300 13

2.3.4.2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU 14

2.3.4.3 Vòng quét chương trình 15

2.3.4.4 Cấu trúc chương trình 16

2.3.4.5 Ngôn ngữ lập trình S7 – 300 16

2.4 Các mạch vòng phản hồi 23

2.4.2 Mạch vòng âm dòng điện 25

CHƯƠNG II KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHÒNG THÍ NGHIỆM 27

1 Xây dựng sơ đồ vector hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha.27 1.1 Phép biến đổi tọa độ Ua, Ub , Uc thành Uα, Uβ 27

1.2 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) và động cơ không đồng bộ 32

1.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần – động cơ không đồng bộ và động cơ không đồng bộ 32

2 Tổng hợp hệ thống 33

2.1 Hàm số truyền của các khâu 33

2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 34

2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 36

3 Xác định tính ổn định hệ thống 38

3.1 Xác định ổn định của mạch vòng dòng điện 38

3.2 Xác định ổn định của mạch vòng tốc độ 39

4 Tính toán và khảo sát cho hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha .41

4.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện. 41

4.2 Xét ổn định mạch vòng tốc độ 44

5 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab Sumulink 47

5.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 47

5.1.1 Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z 47

5.1.2 Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô phỏng hệ thống 48

5.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 50

5.2.1 Từ sơ đồ khối của mạch vòng tốc độ 50

5.2.2 Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô phỏng hệ thống 51

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM 53

1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 53

2 Nguyên lý làm việc 54

3.Thí nghiệm 54

3.1 Bài thí nghiệm 1 (khâu P) 55

3.2 Bài thí nghiệm 2 (khâu PI) 55

4 So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính toán 57

5 Ứng dụng 57

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

PHỤ LỤC I 2

PHỤ LỤC II 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ĐCKĐB : Động cơ điện không đồng bộ

Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ

T, T1 : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử)

H(p) : Khâu lưu giữ 0

T(p) : Hệ số truyền biến tần

Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung

Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ được lấy từ Encoder

Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

Ku : Hệ số khuếch đại của bộ biến tần

Tu : Hệ số thời gian của biến tần;

WKI : Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện

CT, C0T : Ma trận quy đổi

Wi(P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống 2

Hình 1.2: Hình dáng của Biến tần M420 4

Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha 5

Hình 1.4: Vector không gian và các vector biên chuẩn 8

Hình 1.5: Cấu trúc tổng quát của PLC 10

Hình 1.6 : Hoạt động của khối số học 11

Hình 1.7: Vòng quét chương trình 15

Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo Encodor tương đối 24

Hình 1.9 : Biểu đồ xung của encoder tương đối tăng dần 24

Hình 1.10: Encoder tuyệt đối 8 bít 25

Hình 2.1: Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 27

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector 28

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector 29

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector 29

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ 31

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điện sử dụng biến tần………31

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ 32

Hình 2.8: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink 32

Hình 2.9: Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002 49

Hình 2.10a : Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5Tu = 0,00165 49

Hình 2.10b: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink 50

Hình 2.11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện theo Matlab Sumulink…… 51

Hình 2.12a: Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006; T=0,5Tu=0,00165 52

Hình 2.12b: Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058; T=0,5Tu=0,002 52

Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ truyền động……… … ……… 53

Hình 3.2: Các thiết bị mô hình thực nghiệm 54

Hình 3.3 Kết quả thí nghiệm khâu P 55

Hình 3.4: Kết quả thí nghiệm khâu PI 56

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang được sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này được điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệ thống truyền động mới thông minh và hiện đại

Ở phòng thí nghiệm của Nhà trường có bộ biến tần động cơ điện xoay chiều này, được điều khiển bằng PLC S7 -300 Để nắm được nguyên lý hoạt động của hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động

trong máy sản xuất nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền

động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất ”

Kết quả đề tài sẽ làm tài liệu quý giúp cho nghiên cứu học tập đồng thời có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để vận hành, sửa chữa những thiết bị ngoài thực tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tính toán khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bằng PID S7-300 đây là một hệ thống điều khiển số Việc tính toán khảo sát dựa trên kết quả mô phỏng giúp chúng ta kiểm nghiệm so sánh với kết quả thí nghiệm

- Tiến hành thí nghiệm và kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều được điều khiển bởi bộ PID S7-300

cụ thể là: Xác định được chất lượng của hệ thống với các bộ điều khiển được ứng dụng là khâu P và khâu PI trong mạch vòng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính toán, đồng thời thông qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc hơn về nguyên lý làm việc của hệ thống này và hiểu được quá trình vận hành điều khiển hệ thống

- Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm chúng ta khẳng định ứng dụng của hệ truyền động này là khả thi, từ đó đề xuất ứng dụng cho một số máy trong công nghiệp

3 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương I: Giới thiệu sơ đồ khối hệ truyền động phòng thí nghiệm Chương II: Khảo sát tính toán hệ truyền động phòng thí nghiệm

Chương III: Thí nghiệm

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Encoder Động cơ 3 pha

Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ

Hình 1-1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống

Các thiết bị trong sơ đồ và thông số kỹ thuật:

1 - Động cơ: 2,2 KW; U = 380VAC; Iđm = 5A

2 - Biến tần Micromaster M420

3 - Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300

4 – Encoder

2 Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ

2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi Động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng, Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện Hệ truyền động điện

có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được Hiện nay khoảng 75 - 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi

xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn KW

Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi So với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa momen và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi

2.2 Giới thiệu biến tần

- Khả năng quá tải 150% trong 60 giây

- Hiệu suất chuyển đổi đến 97%

- Dải điều khiển từ: 0 - 10V, 4 - 20 mA

- Tần số sóng mang lên tới 16 KHz

- Dải công suất: 0.37 – 11 KW

- Chế độ điều khiển động cơ: Tuyến tính U/f, bình phương U/f Chức năng vận hành: Điều khiển đa tốc độ, Điều khiển PID, tự động reset khi có lỗi, tự động dò chức năng, kết nối truyền thông RS 485 Bảo vệ quá áp, sụt áp, quá tải, nhiệt độ quá cao, lỗi CPU, lỗi bộ nhớ, chạm mát đầu

ra khi cấp nguồn

- Tiêu chuẩn bảo vệ IP 20

Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được biểu diễn (hình 1-3), Sơ đồ gồm 6 van điều khiển hoàn toàn V1, V2 , V6 và diode ngược D1, D2, D6 Các diode ngược giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải với nguồn Đầu vào một chiều là một nguồn áp với đặc trưng có tụ C, giá trị đủ lớn Phụ tải 3 pha động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

Đối với nghịch lưu áp ba pha có ba phương pháp điều khiển để tạo ra một hệ thống điện áp trên tải, đó là:

- Phương pháp cơ bản

- Phương pháp biến điệu bề rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM)

- Phương pháp biến điệu vector không gian (Spce Vector Modulation- SVM) Trong bài thí nghiệm này biến tần được điều khiển SVM

Hình 1-3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

Trên (hình 1-3), chỉ thể hiện tín hiệu điều khiển cho ba van V1, V3, V5, nối lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều Các van nối xuống thanh dẫn (-) được điều khiển ngược lại Lưu ý dạng của tín hiệu điều khiển trong mỗi chu

kỳ xung răng cưa Ts có dạng đối xứng theo mỗi nửa chu kỳ Ts/2 Lý do là đầu chu kỳ và giữa chu kỳ, tín hiệu răng cưa có biên độ lớn nhất nên không thể cắt một điện áp sin chuẩn nào

Trong mỗi nửa chu kỳ Ts/2 đều có 4 khoảng thời gian đặc trưng: t0, t1,

t2, t3 Trong khoảng t0 cả ba van V1, V3, V5 đều dẫn, hay nói cách khác là tải

ba pha đầu ra bị nối ngắn mạch lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều E Điện áp ra tải ở cả ba pha đều bằng không Trong khoảng t3 cả ba van V2, V4,

V6 đều dẫn, nói cách khác là tải đầu ra bị nối ngắn mạch xuống thanh dẫn (-) của nguồn một chiều E Điện áp ta ở cả ba pha cũng đều bằng không Quá trình điều chế chỉ diễn ra trong khoảng t1 và t2 Trong các khoảng t1 và t2 có thể xác định được dạng điện áp ra nhờ các sơ đồ tương đương

2.2.2 Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian

- Khái niệm về vector không gian:

Trước hết ta cần đưa các khái niệm về vector không gian Một hệ thống điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần: u = (uA, uB, uC) hoặc i = (iA, iB, iC) Cách biểu diễn này không thuận tiện vì mỗi vector được biểu diễn bởi ba tọa độ, hay nói cách khác ta cần một hệ tọa độ gồm ba trục cơ bản để mô tả các vector Park đã đưa ra phép biến đổi, gọi là phép biến đổi Park, cho phép biến đổi tọa độ ba trục bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn các vector theo cách con người có thể nhìn nhận một cách thông thường

Theo phép biến đổi của Park, một hệ thống ba pha bất kỳ Điện áp hay dòng điện, biểu diễn qua một vector trên mặt phẳng tọa độ 0αβ như sau:

) u a au (u 3

t) ( cos U

) 3

2 -

t ( cos U

) 3

2

t ( cos U

Thì uC = Ume j(ω t)

Điều này nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, u r

là một vector có độ dài bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ω

- Trạng thái của van và các vector biên chuẩn:

Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha như (hình 1.3), các van điều khiển phải tuân theo những quy luật nhất định, đó là không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra

Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng lớn, phá hủy van Khi van điều khiển không nối một pha đầu nào đó với thanh dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dòng có thể vẫn phải chạy qua các diode, dẫn đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu không còn là nghịch lưu áp như mong muốn

Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được biểu diễn trong bảng dưới đây:

vector, gọi là vector biên chuẩn, tạo nên đỉnh của một lục giác đều và được chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau gọi là các vector, được đánh số từ I đến VI

III

IIIVI

V

Hình 1-4: Vector không gian và các vector biên chuẩn

- Tổng hợp vector không gian từ các vector biên: Một vector không gian bất kỳ, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp

từ hai vector biên trên (hình 1.4), giả sử vector không gian u r

nằm trong góc phần tư II, có thể được tổng hợp từ hai vector biên u r2

2

urp

θ;

sin u3

2

ur t =

Trong đó: θ là góc chỉ ra vị trí tương đối của vector u r trong góc phần sáu, tính theo chiều ngược kim đồng hồ

Thực ra, phép điều chế vector không gian tạo ra các vector urp,urt

trong mỗi chu kỳ tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts Độ dài của các vector được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector ur2 ,

3

ur

trong mỗi chu kỳ cắt mẫu như sau:

3 s

t t

2 s

p

T

tu

;uT

t

=

=

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của điện áp

một chiều đầu vào E

2U

UT

t

i

0 s p

sin θ3

2U

UTt

t

0 s

q= 0là hệ số biến điệu, 0 ≤ q ≤ 1, có thể viết lại biểu thức tính

2 q T

3

2qT

1.3.1 Cấu tạo

- PLC thực chất cũng là một hệ vi sử lý, tuy nhiên nó có những ưu điểm

nổi bật mà các hệ vi sử lý khác không có Những ưu điểm này ta sẽ xét sau, trước tiên ta xem xét cấu trúc của nó, PLC gồm các bộ phận sau:

+ Hệ điều hành: Chương trình điều hành Khối này dưới chương trình điều khiển hệ thống và chia các bộ nhớ với các địa chỉ cố định đặt trước tạo nên các vùng nhớ cụ thể như:

- Vùng nhớ chương trình điều khiển;

- Vùng nhớ biến trung gian;

- Vùng nhớ cho tín hiệu vào và tín hiệu ra cũng như các chương trình giám sát kiểm tra hệ thống Khối này thường sử dụng bộ nhớ ROM

+ Bộ nhớ chương trình: Lưu chương trình điều khiển PLC, khi PLC hoạt động, nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này Bộ nhớ chương trình là một vùng trong RAM của CPU

+ Bảng các đầu vào, đầu ra (PII và PIQ):

Vùng đệm cho các đầu vào và ra, các bảng này là một vùng trên RAM trong

Hình 1-5: Cấu trúc tổng quát của PLC

+ Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp của PLC dùng phương pháp truyền thông nối tiếp, qua cổng này PLC có thể nối với máy lập trình PG, các bảng điều khiển OB và nối với các PLC khác

+ Bộ đếm thời gian, bộ đếm và cờ: Trong CPU có những bộ đếm thời gian (Timers), các bộ đếm (Counters) và các cờ (Flags) mà chương trình có

thể sử dụng Chương trình có thể đặt, xóa, khởi phát cùng như dừng các bộ đếm, bộ đếm thời gian Các giá trị đếm, giá trị thời gian được lưu giữ trên một vùng dành riêng của RAM trong

Cờ là các ô nhớ đặc biệt trên RAM trong, nơi lưu giữ các kết quả trung gian trong quá trình xử lý chương trình

+ Khối số học: Khối số học chứa hai thanh ghi tích lũy ACCU1 và ACCU2 Các thanh ghi này có thể xử lý các phép toán theo byte hoặc từ

Hình 1-6: Hoạt động của khối số học

Thanh ghi tích lũy là thanh ghi 16 bus (1 từ) được chia thành byte thấp

và byte cao

+ Bộ vi sử lý:

Bộ vi sử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình trên RAM ra để thực hiện một cách tuần tự Theo chương trình nó xử lý các thông tin được lấy

ra từ bảng PII và chuyển kết quả xử lý sáng bảng PIQ

+ Bus vào ra: Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi sử lý và các modul vào ra thông qua bus vào ra ngoài Một bus gồm nhiều đường tính hiệu song song và được nối với nhiều bộ phận khác nhau Hệ thống bus được chia thành 3 loại:

- Bus địa chỉ: Tín hiệu chỉ truyền thao một chiều từ CPU tới (hoặc thiết

bị điều khiển trực tiếp - DMAC), bộ nhớ hoặc của vào ra

- Bus số hiệu: Tín hiệu trên đó truyền theo hai chiều

- Bus các tín hiệu điều khiển: Gồm một số là tín hiệu gửi từ CPU ra còn một số lại là tín hiệu từ ngoài vào CPU

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

PLC làm việc theo nguyên tắc các kỳ lặp tự động, mỗi kỳ lặp được gọi

là một vòng quét Mỗi vòng quét có một lần nhận dữ liệu vào và đưa kết quả

Nạp thông tin

từ PII vào

Sử lý thông tin trong ACCU1

và ACCU2

TACCU2 thông tin tới PIQ

ra bên ngoài, khi hết vòng quét thứ nhất thì tự động chuyển sang vòng quét thứ hai và cứ tiếp tục như vậy Trong môt vòng quét thực hiện bốn bước:

Bước 1: Nhận dữ liệu đầu vào và ghi lại bảng ảnh vào

Bước 2: Đọc chương trình điều khiển trên cơ sở dữ liệu vào đã có (cố định) xử lý chương trình được kết quả ghi lại bảng ảnh ra

Bước 3: Thực hiện truyền thông trong PLC hoặc các PLC với nhau cùng như thông tin qua lại với máy tính, từ đó kiểm nghiệm lại kết quả

Bước 4: Gửi kết quả từ bảng ảnh ra đến thiết bị chấp hành bên ngoài Như vậy để thực hiện một kỳ quét mất một khoảng thời gian, thời gian này càng nhỏ càng tốt nhưng phụ thuộc vào tốc độ xử lý của mỗi loại vi sử lý nằm trong PLC và thời gian được đặt cố định do nhà chế tạo Vì vậy chương trình điều khiển nên lập sao cho càng ngắn càng tốt

2.3.3 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của PLC

Ưu điểm: - Với một hệ điều khiển được tạo lập bởi PLC có ưu điểm nổi bật là hoàn toàn chủ động kết hợp với phần cứng và chương trình phần mềm

để tạo nên một hệ điều khiển với công nghệ bất kỳ mà không cần phải thay đổi phần cứng vì tất cả các thiết bị được sử dụng trong hệ đều thông qua chương trình phần mền và chúng cũng được phép nối với nhau thông qua phần mềm, chính vì vậy làm cho quá trình cải tiến thay đổi hoàn chỉnh và sửa chữa cũng rất đơn giản, chỉ cần thay đổi phần mềm tức là sẽ tạo nên được điều khiển là tối ưu mà các hệ điều khiển logic trước không có được

- Với hệ điều khiển dùng PLC vừa có thể tiến hành hiệu chỉnh, chỉnh sửa nhưng hệ thống vẫn làm việc tức là vẫn đảm bảo dây chuyền công nghệ không bị dừng, vì vậy nó cho phép hiệu chỉnh để đạt được chất lượng hiệu chỉnh tối ưu

Nhược điểm: - Hệ điều khiển PLC trong việc hiệu chỉnh thay đổi thông

số cũng như thay đổi hàm hiệu chỉnh do đó người sử dụng phải am hiểu và khi thay đổi chương trình không đúng sẽ làm dối loạn dây chuyền vì vậy gây khó khăn cho người quản lý

- Do điện áp sử dụng trên PLC thấp vì vậy để đảm bảo an toàn phải có biện pháp cách lý với điện áp lưới

- Để thực hiện lập được chương trình điều khiển bắt buộc phải có máy tính hoặc máy lập trình

Ứng dụng của PLC:

- Ngày nay bộ điều khiển khả trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp cùng như phi công nghiệp trên toàn thế giới, nhờ ưu điểm mềm dẻo, linh hoạt trong điều khiển Nói riêng về bộ điều khiển PLC của hãng SIEMENS (CHLB Đức), ngoài ưu điểm như đã trình bày ở trên thì PLC của hãng còn rất đa dạng về chủng loại: Từ những loại nhỏ, phù hợp với những yêu cầu điều khiển không phức tạp cho đến những bộ điều khiển cực lớn có tác dụng như một máy vi tính, đáp ứng được mọi yêu cầu điều khiển phức tạp nhất

- Các bộ điều khiển khả trình họ SIMANTIC S5 của SIEMENS được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp Ví dụ như ngành Dệt, Công nghiệp chất dẻo, Xi măng và nó đã chiếm được cảm tình của các nhà sản xuất

Tại Việt Nam, PLC họ SIMANTIC S5 của SIEMENS đã được đưa vào điều khiển các dây chuyền sản xuất, cụ thể hóa công suất các tổ máy điện, trong hệ điều khiển của Viet SoPtro, nhà máy thuốc lá Thăng Long, các Nhà máy Dệt, Nhà máy Xi măng

2.3.4 Giới thiệu tự động hóa với SIMANTIC S7 – 300

2.3.4.1 Các module của PLC S7-300

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình chúng được chia nhỏ thành các module số các module sử dụng nhiều ít phụ thuộc vào bài toán

- Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại khác nhau và chúng thường được đặt tên theo bộ vi sử lý có trong nó như module CPU312, CPU314, CPU315

Những module cùng sử dụng một loại vi sử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboarb cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboarb này

sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Integrated Funtion Module)

- Module mở rộng: Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính: + PS (Power Supply): Module nguồn nuôi, PS có ba loại: 2A, 5A, 10A + SM (Signal Module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm:

* DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số

* DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số

* DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra số

* AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự

* AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự

* AI/AO (Analog Input/Analog Output):): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự

+ IM (Intuface Module): Module ghép nối

+ FM (Function Module):Module có chức năng điều khiển riêng

+ CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông tin trên mạng giữa các PLC với nhau hoặc PLC với máy tính

2.3.4.2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU

- Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng nhớ chương trình chia làm

ba miền:

* OB (Organiration Block): Miền chứa chương trình tổ chức

* FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm

có biến hình thức để trao đổi Data với chương trình đã gọi nó

FB (Function Blocb): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các Data này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là (BD – Data Block)

Vùng chứa tham số của hệ điều hành vào chương trình ứng dụng, vùng này được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:

* I (Process Inmage Input): Miền bộ đệm các Data cổng vào số

* Q (Process Inmage output): Miền bộ đệm các Data cổng vào số

* M: Miền các cờ

* T (Timer): Miền nhớ phục vụ thời gian

* C (Counter) Miền nhớ phục vụ bộ đếm

* PI: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O extrrnal input)

* PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O extrrnal input) Vùng chứa các khối Data: Được chia hai loại:

* DB (Data Block): Miền chứa dữa liệu được tổ chức thành khối

* Local data block: Miền dữ liệu địa phương

2.3.4.3 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển từ các cổng vào số tới bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OBL (Block End)

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi

Hình 1-7: Vòng quét chương trình

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan Timer) Scan timer không cố định, như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Vậy thời gian vòng quét quyết định thời gian thực hiện chương trình điều khiển trong PLC

2.3.4.4 Cấu trúc chương trình

Chương trình S7-300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng cho chương trình có thể lập trình với hai dạng khác nhau:

* Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một

bộ nhớ Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán tương tự động nhớ, không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và lại quay lại lệnh đầu

* Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và những phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7-300 có 4 khối cơ bản sau:

+ Loại khối OB (Orangization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển

+ Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình)

+ Loại khối FB (Function block): Là loại FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác

+ Loại DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình và các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối OB các khối OB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự

Khối OB1 luôn được PLC quét và thực hiện các lệnh từ đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên

2.3.4.5 Ngôn ngữ lập trình S7 – 300

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục

vụ các đối tượng khác nhau PLC có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:

- Ngôn ngữ "liệt kê lệnh", ký hiệu là STL (Statement list)

- Ngôn ngữ "hình thanh" ký hiệu là FAD (Ladder) logic)

- Ngôn ngữ "hình khối", ký hiệu là FBD (Funtion block diagram) Một chương trình viết trên LAD hoặc có thể chuyển sang được dạng STL nhưng ngược lại thì không Trong STL có nhiều lệnh mà trong LAD hoặc FBD không có

* Các lệnh và biểu diễn số trong chương trình

Ngôn ngữ PLC S7-300 được trang bị những công cụ toán học mạnh giúp cho những ứng dụng và phát triển chương trình điều khiển mềm dẻo và

- Bit: s là bits dấu (s= số dương, s=1 số âm)

- Thanh ghi trạng thái: Khi thực hiện lệnh CPU sẽ ghi lại phép tính trung gian cũng như kết quả vào một thanh ghi đặc biệt 16 bits, gọi là thanh ghi trạng thái, nhưng chỉ sử dụng 9 bits

- FC: Khi thực hiện dãy lệnh logic liên tiếp FC có giá trị 1, FC = 0 khi dãy lệnh kết thúc

- RLO: Kết quả tức thời của phép tính logic tiếp điểm được chỉ định trong lệnh

- OR: Ghi lại giá trị phép tính logic hoặc cuối cùng được thực hiện để phục giúp cho việc thực hiện phép tính và sau đó

- OS: Ghi lại giá trị bits bị tràn ra ngoài giá trị bảng ô nhớ

- CC0 và CC1: Hai bits báo trạng thái kết quả phép tính với số nguyên,

số thực, phép dịch chuyển hoặc phép logic trong Accu

- Lệnh gán

Cú pháp =<toán hạng>

Toán hạng là địa chỉ bits I,Q, M, L, D

Lệnh gán giá trị logic của RLO tới ô nhớ có địa chỉ trong toán hạng

- Lệnh thực hiện phép tính và tới giá trị nghịch đảo:

Cú pháp: AN <toán hạng>

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bits I,Q, M, L,D,T,C Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic nghịch đảo của toán hạng vào RLO Khi FC = 1 logic thực hiện phép tính giữa RLO với giá trị nghịch đảo của toán hạng và ghi tên kết quả vào RLO

Lệnh tác động vào thanh ghi như sau:

- Lệnh thực hiện phép tính hoặc:

Cú pháp : O <toán hạng>

Toán hạng dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bits I,Q, M, L,D,T,C

Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO

FC = 1 nó thực hiện phép tính hoặc giữa RLO với toán hạng và ghi kết quả vào RLO

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái kết quả sau:

- Lệnh gán có điều kiện giá trị logics 1 vào ô nhớ

Cú pháp : S <toán hang>

Toán hạng là địa chỉ bits I, Q,M, L,D

Nếu RLO = 1, lệnh sẽ gán 1 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

- Lệnh gán có điều kiện giá trị logic 0 vào ô nhớ

Cú pháp: R <toán hạng>

Toán hạng là giá trị bits I, Q,M, L,D

Nếu RLD = 1, lệnh sẽ gán 0 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

+ Các lệnh làm việc với thanh ghi Accu1, Accu2:

Các lệnh CPU của S7-300 thường có hai thanh ghi Accumulator (Accu)

ký hiệu là Accu1, Accu2 Hai thanh ghi này có kích thước 23 bits

Mọi phép tính trên số thực, số nguyên, các phép tính với mảng nhiều bits đều thực hiện trên hai thanh ghi này

- Lệnh đọc vào Accu:

Cú pháp: L <toán hạng>

Ví dụ toán hạng là địa chỉ một từ kép: ID, QM, MD, DBD, DI trong khoảng 0-65534

Lệnh này có tác dụng chuyển nội dụng của Accu1 vào ô nhớ có địa chỉ

là toán hạng Nội dung cũ của Accu2 không thay đổi Lệnh không sửa đổi thanh ghi trạng thái

- Lệnh dịch trái thanh ghi Accu1:

Cú pháp SLD <toán hạng>

Lệnh có thể hoặc không có toán hạng

Nếu có toán hạng thì toán hạng là số nguyên không dấu trong khoảng 0- 32 Số bits dịch chỉ trong toán hạng Tại mỗi lần dịch bist thứ 31 bị đẩy ra Accu1 và ghi vào CC1 còn bít đầu được ghi 0

Trong đó các bits CC0, CC1 thay đổi với ý nghĩa

- Lệnh cộng: + R

Lệnh không có toán hạng, thực hiện cộng hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu1 và Accu2 kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

- Lệnh trừ: -R

Lệnh không có toán hạng, thực hiện cộng hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu2 số thực phẩy động trong Accu1 kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

- Lệnh nhân: *R

Lệnh nhân không có toán hạng Thực hiện nhân hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu1 và Accu2 Kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

- Lệnh chia: /R

Lệnh không có toán hạng thực hiện chia hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu2 cho số thực phẩy động trong Accu1 Kết quả được ghi vào Accu1

* Các lệnh điều khiển chương trình:

+ Khai báo thời gian trễ mong muốn

+ Khai báo tín hiệu xóa Timer nếu muốn sử dụng chế độ reset chủ động Trong tất cả các bước trên thì bước 2,3,4 là bắt buộc

- Loại Timer trễ theo sườn lên không có nhớ:

Cú pháp: SD<tên Timer>

Thời gian giữ trễ được bắt đầu khi có sườn lên của tín hiệu vào (hoặc

có sườn của tín hiệu enable đồng thời tín hiệu đầu vào bằng 1), tức là ngay thời điểm có giá trị PV (thời gian trễ đặt trước Preset value) được chuyển vào thanh ghi CV (Current value T- word) Timer sẽ ghi nhớ khoảng thời gian trôi qua kể từ khi được kích bằng cách giảm dần một cách tương ứng nội dung thanh ghi CV Trong khoảng thời gian trễ T-bits có giá trị 0 Khi hết thời gian trễ có giá trị 1 Như vậy T-bits có giá trị và T-word cùng có giá trị bằng 0

Ví dụ: AI2.0 //Tín hiệu anable

+ Sử dụng máy đo góc tuyệt đối;

+ Xác định tốc độ gián tiếp qua cho phép do dòng điện và điện áp stator

mà không cần bộ cảm biến;

Để đơn giản việc lấy tín hiệu phản hồi tốc độ rotor, hiện nay nhiều mạch truyền động được sử dụng Encodor quang có bốn phần chính: Nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch sử lý tín hiệu; Encodor có thể được phân làm hai loại Encodor tương đối và Encoder tuyệt đối

- Encodor tương đối: Sơ đồ cấu tạo Encodor thể hiện như hình 1.8 dưới đây

Hình 1-8: Sơ đồ cấu tạo Encodor quang

Nguyên lý làm việc Encodor khi một tia sáng phát ra từ một LED xuyên qua khe hở của một đĩa kim loại Tia sáng đó kích thích các photon (được hiểu là các sensor ánh sáng) các sensor này sẽ phản xạ lại một chùm ánh sáng, sinh ra một sóng hình sin, sóng này biến đổi thành sóng vuông hoặc các xung truyền đi Các xung tín hiệu này sau khi truyền đến bộ đếm hoặc bộ điều khiển chúng sẽ cho tín hiệu để có các chức năng mong muốn

Trên (hình 1-9) biểu diễn sơ đồ phát xung một encodor quang tăng dần với 3 rãnh Trên rãnh chỉ có một lỗ, hai rãnh còn lại có một chuỗi các lỗ cách đều nhau tạo thành vòng tròn quanh đĩa mã Khi đĩa quay trên một bộ đếm độ rộng xung clock có hướng; trường hợp nếu khoảng bằng ½ bề rộng của xung phát ra thì quay thuận, ngược lại nếu xung phát ra từ rãnh trong nhanh hơn pha xung clock rãnh ngoài một khoảng ½ bề rộng thì quay ngược

Hình 1-9 : Biểu đồ xung của encoder tương đối tăng dần

Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số encodor tăng dần là xác định hướng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩa mã

Số xung phát ra tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi A/D là không cần thiết cho encoder loại này

Tạo mã số nhị phân cho mỗi vị trí mã đĩa Encoder tuyệt đối có 6 đến

20 track, mỗi track tạo ra một bít nhị phân theo mã mà nó tạo nên bởi các lỗ trên đĩa mã hóa Trên (hình 1-10), biểu diễn encoder tuyệt đối với 8 track mã hóa số nhị phân tự nhiên Vậy sẽ có 256 đơn vị vị trí trên đĩa mã hóa, số nhị phân đại diện cho từng đơn vị vị trí trên đĩa mã quan hệ với số bít của encoder tạo lên độ phân giải của encoder theo công thức

Số vị trí được mã hóa = 2N , độ phân dải =1/2N

Với N là số rãng bằng số bít của cảm biến

Số nhị phân được sử dụng cho Encoder có thể được mã hóa theo các loại mã phổ biến sau: Mã nhị phân tự nhiên, mã Gray và mã BCD Trong đó

mã Gray được dùng nhiều nhất vì bộ đếm dùng trong mạch xử lý tín hiệu của cảm biến chỉ có một bít thay đổi mỗi lần số đếm tăng lên một

Hình 1-10: Encoder tuyệt đối 8 bít

- Ưu điểm của Encoder số: Cho độ phân giải cao (trên 20 bít binary) độ tin cậy chính xác cao hơn nhiều so với bộ cảm biến tương tự

khảo sát tính toán hệ truyền động phòng thí nghiệm, từ đó kiểm tra nghiệm với kết quả thí nghiệm

CHƯƠNG II KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHÒNG THÍ NGHIỆM

1 Xây dựng sơ đồ vector hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng

bộ ba pha

1.1 Phép biến đổi tọa độ U A, UB, UC thành Uα, Uβ

Phép biến đổi này đã được thực hiện ở phần [phụ lục I]

1.2 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d, q)

Sau khi chuyển đổi các đại lượng điện áp hai trục α và β về d và q, tựa theo từ thông rotor ta nhận được hai phương trình điện áp trong rotor của động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch như sau:

0iLψωTp)ψT

(1+ 2 2q − 2 s 2q − m 1d =

0iLp)ψT(1.ψ

Hệ điều khiển vector được thể hiện như (hình 2.2) Trong sơ đồ phần lực gồm có động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và bộ biến tần Phần điều khiển gồm các khối chủ yếu: Các sensor đo dòng 2 pha động cơ isa và isb, máy đo tốc độ quay của động cơ; khâu chuyển đổi dòng 3 pha thành 2 pha tương đương isα, isβ; khâu biến đổi tọa độ α - β → d - q đối với dòng điện (CTĐi) và khâu biến đổi tọa độ d - q → α - β đối với điện áp (CTĐu); khâu MHD dùng điều để tính góc lệch giữa vector từ thông rotor với trục chuẩn (góc θe); khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) dùng để tính các thành phần theo trục d

và q của điện áp cần đối với cho động cơ (usd và usq); khâu điều chế vector không gian dùng để tính thời gian làm việc của các khóa IGBT của khối nghịch lưu (ta, tb, tc); ω* là giá trị đặt của tốc độ góc; i*sd là giá trị đặt thành phần theo trục d của dòng điện, đây là thành phần tạo ra từ thông rotor và ở đây được chọn bằng hằng số Từ sơ đồ (d, q) ta xây dựng đồ thị vector từ thông rotor như sau:

Từ sơ đồ cấu trúc vector (hình 2-2) ta có thể biến đổi đưa về dạng sơ đồ (hình 2-3)

id

*

i

qd,

β α, ω

q

c b,

a, ia

bi

c b, a,

Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector

Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển vector (hình 2-3) ta biến đổi sơ đồ cấu trúc điều khiển vector (hình 2-4)

M

M Jp

l

R

t o

C(p)

Wi p

Hình 2-4: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector

Với giả thiết trong quá trình làm việc giữ từ thông rotor không đổi

ψ2d=const có nghĩa là giữ nguyên dòng điện I1d = const, lúc này ta điều chỉnh dòng điện I1d để tiến hành điều chỉnh momen (cách điều chỉnh này giống như điều chỉnh động cơ điện một chiều)

Với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ điều chỉnh lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh momen của động cơ Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ

Trong sơ đồ (hình 2.4) thì

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có dạng:

p) T (1

1 (p)

W

n L

+

1 P T

K T(p)

1

a + : Hàm số truyền khâu điện từ của động cơ xoay chiều

Khâu momen có phương trình:

M= kr.ψ2d.i1q = kr.T2.ωs.Lm i1d.i1q (vì ψ2d = Lm i1d)

Ma trận C0 là ma trận quy đổi từ hệ tọa độ vector không gian (a, b, c) về

hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

1 0

6

1 6

1 3

2 cos

sin

sin cos

.

1 1

1 1

1 3

θ θ

C C

C

Ngược lại C0t = C1t.C3t là ma trận quy đổi từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) về hệ tọa độ vector không gian (a, b, c)

Các ma trận quy đổi C0 và C0t có các phần tử thay đổi theo góc quay θ1

của từ trường quay Ta nhận thấy: C0.C0

t = I0 (với I0 là ma trận đơn vị) Vì vậy ta có thể đơn giản hóa sơ đồ cấu chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ thành sơ đồ như (hình 2-5) dưới đây