Tự động hóa và điều chỉnh thiết bị điện (chương 4)

Chơng 4: Các phấn tử trong hệ thống tự động điều khiển vòng kín. (8 tiết) 4.1 Khuếch đại thuật toán (KĐTT) 4.1.1. Giới thiệu về KĐTT Khuếch đại thuật toán là phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển t- ơng tự. Thuật toán khuếch đại thuật toán có nghĩa là nhờ mạch khuếch đại này mà ta có thể tạo đợc các thuật toán điều khiển khác nhau Sơ đồ nguyên lí và sơ đồthay thế của KĐTT giới thiệu trên hình 41.1. KĐTT có hai đầu vào: đầu vào đảo (-) tín hiệu ra trái dấu với tín hiệu vào đầu vào không đảo (+) tín hiệu ra đồng dấu với tín hiệu vào, một đầu ra. 4.1.2. Các thông số cơ bản của KĐTT Điện áp nguồn cấp 5 ữ 18 V (Trị số này chỉ cho gần đúng cho đa số các loại KĐTT, chi tiết phải tra bảng thông số KĐTT) Dòng điện ra I R 3 mA Công suất tiêu thụ P 60 mW Vùng nhiệt độ làm việc -55 O C ữ 125 O C Tần số làm việc cực đại khoảng hàng kHz Hệ số khuếch đại K = 10 5 - 10 7 Điện trở đầu vào Z V 1M Điện trở đầu ra Z R 100 Độ mất đối xứng điện áp vào (OFFSET) 1mV Độ mất đối xứng dòng điện vào (OFFSET) 10 -8 A Dòng điện tĩnh đầu vào (Biascurrent) 10 -7 A Độ trôi điện áp và dòng điện theo nhiệt độ 10 -8 V/ O K, 10 -10 A/ O K Tốc độ tăng điện áp = dt du 4.1.3. Hàm truyền của KĐTT 1. Khuếch đại đảo dấu Sơ đồ khuếch đại đảo đợc vẽ trên hình 4.2 - + Đầu vào Đầu ra Đầu ra Đầu vào Z V Z r K + - - + Hình 4.1 Kí hiệu và sơ đồ thay thế KĐTT Z 1 Z 2 Z 3 Z V Z 0 Z t u 1 i 2 i 1 i V i t u V u 0 u 2 u 3 i 0 Hình 4.2 Mạch khuếch đại đảo (4.1) (4.2) + ++ ++ = VV 3 1V 3 22 11 Z 1 Z Z 1 Z 1 Z Z 1 Z 1 K B Z 1 1 . Z 1 u u 2 ) Z Z 1( Z.A 1 Z 1 Z 1 Z 1 Z 1 B V 3 20 0t2 + ++ = Từ sơ đồ thay thế hình 41.2 ta có các phơng trình cơ bản nh sau: i 1 + i 2 - i V = 0 i 1 =(u 1 - u V - u 3 )/Z 1 i 2 =(u 2 - u V - u 3 )/Z 2 i V = u V /i V Đối với đầu ra ta có u o = -A u V i 0 = i 2 + i t i t = u 2 / Z t i 0 = (u 0 - u 2 )/ Z R Giải hai phơng trình (4.1), (4.2) ta có: Giả thiết gần đúng Z 0 = 0, Z 0 < Z t , Z 0 < Z 2 và A ta có: K KĐ = u 2 /u 1 = -Z 2 /Z 1 2. Khuếch đại không đảo i 0 i t Z t u V Z 1 i 1 i V Z 2 i 2 i 3 i 4 Z 3 Z 4 Z 0 u 1 u 2 Hình 4.3 Mạch khuếch đại không đảo B»ng c¸ch gi¶i t¬ng tù nh trªn chóng ta cã: K K§ = u 2 /u 1 = (Z 4 /(Z 3 +Z 4 )].[(Z 1 + Z 2 )/Z 1 ] 3. KhuÕch ®¹i vi sai S¬ ®å m¹ch khuÕh ®¹i vi sai vÏ trªn h×nh 4.4. TÝn hiÖu ra ®îc tÝnh: 4.1.5. C¸c m¹ch c¬ b¶n cña K§TT - Bé céng tÝn hiÖu. Trªn h×nh 42.1 giíi thiÖu mét s¬ ®å nguyªn lÝ bé céng tÝn hiÖu B1 43 4 1 21 A1 1 2 2 u. ZZ Z . Z ZZ u. Z Z u + + +−= i 0 i t Z t u V Z 1 i 1 i V Z 2 i 2 i 3 i 4 Z 3 Z 4 Z 0 u 1A u 1B u 2 H×nh 4.4 M¹ch khuÕch ®¹i vi sai - + U 1 U 2 U n R 1 R 2 R n R ht U R Hình 42.1 Sơ đồ nguyên lí mạch cộng tín hiệu +++= n n 2 2 1 1 htR R U R U R U Ru Điện áp ra của bộ công này đợc tính: Nếu chọn R 1 = R 2 = R n = R ht , ta có điện áp ra là tổng các điện áp vào U 2 = - (U 11 + U 12 + U 1n ) - Mạch cộng không đảo Sơ đồ mạch cộng không đảo cho trên hình ckđ. Điện áp đầu ra của bộ cộng này đợc tính: +++ +++ + = n n 2 2 1 1 n21 0 ht0 R R U R U R U . R 1 R 1 R 1 1 . R RR u Nếu chọn R 1 = R 2 = = R n = R thì = + = n 1i i 0 ht0 R U R.n RR U - Mạch trừ Sơ đồ mạch trừ đợc vẽ trên hình mt Điện áp ra đợc tính: ( ) ( ) 1 1 ht 2 321 ht13 R U R R U RRR RRR U + + = - Mạch tích phân. Mạch tích phân là một mạng bốn cực (hình tpa), trong đó tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân tín hiệu vào = t 0 VR dtUU - + U 1 U 2 U n R 1 R 2 R n R ht R 0 U R - + U 1 U 2 R 1 R 2 R ht R 3 U R Hình mt. Sơ đồ mạch trừ Mạch tích phân U V U R a) - + R C U R U V b) Ngời ta có thế dùng KĐTT để làm mạch tích phân nh trên hình tpb. Điện áp ra trong trờng hợp này đợc tính: == t 0 V t 0 VR dtU T 1 dtU RC 1 U Khi muốn cộng hoặc trừ các tích phân, ngời ta dùng mạch tích phân tổng và tích phân hiệu nh trên hình tp2. Các tích phân tổng và hiệu cho ta đầu ra: Với mạch tích phân tổng: +++= t 0 n n 2 2 1 1 R dt R U R U R U U Với mạch tích phân hiệu: ( ) = t 0 12R dtUU RC 1 U - Mạch vi phân Mạch vi phân là một mạng bốn cực (hình vp1a), trong đó tín hiệu ra tỉ lệ với vi phân tín hiệu vào dt dU kU V R = Sơ đố mạch vi phân dùng KĐTT đợc vẽ trên hình vp1b. Tín hiệu ra của mạch tích phân đợc tính: dt dU T dt dU RCU VV R == - Mạch tạo xung chữ nhật. Tạo điện áp dạng xung chữ nhật và sóng tam giác rất thờng gặp trong các mạch điều khiển tự động. Hình xcn1 giới thiệu một số mạch dạng này. Điện áp sóng vuông và tam giác cân có thể đợc tạo bởi một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) nh hình xcn1 a Hình tp. Mạch tích phân; a. sơ đồ khối; b. mạch tích phân bằng KĐTT a) + A 1 V + V - R R 1 R 2 C b) + - R 1 R 2 R 3 A 1 V + V _ + - C A 2 Hình xcn1 một số mạch tạo xung chữ nhật bằng KĐTT Mạch vi phân U V U R a) - + R C U R U V b) Hình vp1. Mạch vi phân; a. sơ đồ khối; b. mạch vi phân bằng KĐTT T f 1 = Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT A có hai đờng hồi tiếp. Hồi tiếp âm về V - bằng mạch RC, hồi tiếp dơng về V + bằng mạch chia áp R 1 , R 2 . Hoạt động của sơ đồ hình xcn1 a có thể giải thích nh sau: Giả sử điện áp ra của A 1 đang dơng nhờ hồi tiếp dơng mà điện áp ra bằng U cc và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số: 21 2 CC V RR R UU + = + Điện áp vào cổng "-" là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi V + = V - , tại t 1 đầu ra lật trạng thái từ dơng xuống âm, điện áp V + đổi dấu từ dơng xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ. Chu kì dao động của mạch đợc xác định: Tần số xung: Trờng hợp đặc biệt R 1 = 2R 2 = R ta có: T = 2.R.C.ln 2 = 2.R.C.0,69 R 1 = R 2 = R T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,1 = 2,2. R.C Tạo sóng vuông và tam giác bằng tích phân sóng vuông. Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đợc từ bộ tích phân xung vuông nh hình xcn1b. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể. Điện áp tựa trên hình xcn1b mang tính phi tuyến cao. Điện áp tựa có thể nhận đợc tuyến tính hơn nếu sử dụng sơ đồ hình xcnb. Khuếch đại A 1 có hồi tiếp dơng bằng điện trở R 1 , đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V + , V - . Đầu vào V + có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A 1 , một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A 2 . Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A 1 là trung tính vào V - . Giả sử đầu ra của A 1 d- ơng U A1 > 0, khuếch đại A 2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sờn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V + lấy từ R 1 và R 2 , hai điện áp này trái dấu += 2 1 .2 1ln 2 R R CRT 1 2 3 4 1 R R CR f = nhau. Điện áp vào qua R 2 biến thiên theo đờng nạp tụ, còn điện áp vào qua R 1 không đổi, tới khi nào U V+ = 0 đầu ra của A 1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của A 1 cứ luân phiên đổi dấu nh vậy cho ta điện áp ra sóng vuông tại đầu ra A 1 và tam giác cân tại đầu ra A 2 . Tần số của điện áp tựa đợc tính: Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có đợc điện áp tựa có tần số nh mong muốn. 4.1.4. Một số sơ đồ mạch phụ khác Mạch bảo vệ Có ba loại mạch bảo vệ thờng đợc mắc vào mạch KĐTT nh vẽ trên hình 4.5. Bảo vệ đầu vào dùng hai điốt mắc ở hai đầu vào. Bảo vệ mắc sai nguồn dùng hai điốt mắc ở hai đầu nguồn cấp. Bảo vệ quá tải nối điện trở đầu ra. Mạch bù độ mất đối xứng điện áp Phần lớn các loại KĐTT đợc cấp bởi hai nguồn đối xứng. Trờng hợp nguồn bị mất đối xứng có thể gây sai số trong mạch, do đó ngời ta dùng mạch bù độ mất đối xứng điện áp hình 41.6 nhằm giảm thiểu những sai sót không đáng có, Mạch bù tần số hình 41.7 4.2 Các bộ điều chỉnh. Nhiệm vụ các bộ điều chỉnh: - + Hình 41.7 Mạch bù mất đối xứng điện áp - + Hình 4.5 Mạch bảo vệ KĐTT (2.24) Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ. Tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lợng tĩnh và động. 1. Điều chỉnh tỉ lệ K R R U U UU U )p(F 1 22 1d 2 == = = 2. Hàm chức năng sơ đồ hình 43.2 có các quan hệ: I đ + I 2 + I 1 = I V ~ 0 I đ = Y đ (p).U đ I 2 = Y ht (p).U 2 I 1 = Y 1 (p).U 1 Y đ (p).U đ + Y ht (p).U 2 + Y 1 (p).U 1 = 0 ( ) ( ) ( ) ( ) = 1 d 1 d ht d 2 U. pY pY U pY pY U (43.1) Hai điện áp U đ và U 1 trái dấu. Bộ điều chỉnh tích phân - + U U 2 = K.U - + Y đ (p) Y 1 (p) Y ht (p) U đ U 1 U 2 I đ I 2 I V I 1 - + R C Y X U 2 t Thay vào biểu thức 43.1với giá trị U đ = U V ; U 1 = 0 ta có: ( ) ( ) V ht V 2 U pY pY U = Từ đó ta có hàm truyền Hàm truyền của khâu tích phân tỉ lệ. Thay vào biểu thức 43.1 với R 1 )p(Y V = 1p.CR p.C p.C 1 R 1 Y 2 2 ht + = + = ta có: Tp 1Tp .K p.CR 1p.CR . R R U U 2 2 1 2 V 2 + = + = Dới đây giới thiệu hàm truyền một số khâu hiệu chỉnh điển hình Hàm truyền một số khâu hiệu chỉnh C.R 1 K;X. p K Y == - + R C Y X ( ) C.RT; R R K;X. Tp1 K Y 2 1 2 == + = - + R C Y X R C.R 1 K;X. p K Y == - + R 1 C U 2 U V R 2 U 2 t ( ) C.RT; C.R 1 K;X. X Tp1.K Y 1 1 == + −= - + R C Y X R C.RK;X.p.KY =−= - + R C Y X ( ) C.RT; R R K;X.Tp1.KY 1 1 2 ==+−= - + C Y X R 2 R 1 ( ) C.RT;C.RK;X. Tp1 Kp Y 12 == + −= - + C Y X R 2 R 1 [...]... vây điện dung tỷ lệ với l và đợc dùng để đo khoảng cách Các phơng pháp thay đổi điện dung vẽ trên hình tđ1 b,c,d l a) b) điện cực cách điện chất lỏng c) d) Hình tđ1 d giới thiệu một loại điên cực đợc phủ chất cách điện nhúng vào chất lỏng Điện cựctđ1 Một số loại cảm biến điện dung một tụ điện với và chất lỏng dẫn điện đợc coi nh Hình điện môi là chât cách điện trên bề mặt của lõi điện cực Thay đổi điện. .. dòng điện xoay chiều Dòng điện động lực xoay chiều cần đợc biến đổi thành một chiều và cách li giữa động lực và điều khiển Cách li dòng điện xoay chiều với mạch điều khiển đợc thực hiện bằng các biến dòng Dòng điện thứ cấp của biến dòng chạy qua điện trở tải của biến dòng thành tín hiệu điện áp xoay chiều qua chỉnh lu có lọc tụ đợc biến thành một chiều Dòng điện xoay chiều đầu vào biến dòng tỉ lệ với điện. .. dòng điện Cảm biến để đa tín hiệu vào mạch điều khiển thờng là tín hiệu một chiều điện áp thấp Do đó, tín hiệu dòng điện là tín hiệu vào dùng cho mạch điều khiển phải là tín hiệu một chiều điện áp thấp Dòng điện động lực có thể là một hay xoay chiều Các cảm biến này cũng điểm khác nhau 1 Cảm biến dòng điện một chiều Đối với dòng điện một chiều tín hiệu thờng đợc lấy thông qua điện áp của một điện trở... phần t thứ hai, ba t chỉ cần thêm các khâu đảo dấu vào hay ra, nh chỉ ra trên hình pt3b, c, d Tạo vùng không tác động Đối với các hệ thống tự động thờng phải chỉnh định những vùng không tác động Hình pt4 vẽ mạch tạo vùng không tác động của tín hiệu vào Khi tín hiệu vào dơng, D1 sẽ dẫn, điện áp ra còn bằng 0 khi điện áp vào nhỏ hơn điện áp anod của D1 (đợc chỉnh bởi VR1) Độ dốc của đờng đạc tính phụ R... mạch dòng điện động lực gây nên Nguồn cấp cho cảm biến không dòng điện đợc lấy từ một điện áp xoay chiều U~ có trị số khoảng (10 - 15)V Khi dòng điện mạch động lực bằng 0, cuộn kháng bão hòa có điện cảm lớn, điện áp của nguồn cấp U ~ cho mạch cảm biến đợc đặt gần nh toàn bộ trên điện cảm này, còn trên đầu ra (trên R T) của bộ chỉnh lu có điện áp gần nh bằng 0 khi dòng điện động lực tăng lên điện cảm... dung bằng thay đổi điện môi l0 l a0 a1 a2 r1 r1 r2 r2 a) b) Hình tđ2 Cảm biến điện dung thay đổi điện môi a0 Điện môi có thể thay đổi theo các cách nh trên hình tđ2 a, b Trong hình tđ2 a tụ điện có hai lớp điện môi r1 và r2 có độ dày s1, s2 Cả hai lớp điện môi lấp đầy khoảng trống giữa hai điện cực a = a 1 + a2 Cấu trúc trên có thể coi nh hai điện dung C1 và C2 mắc nối tiếp nhau Điện dung tơng đơng... đầu ra của chỉnh lu Hình cbd2 vẽ một số mạch lấy tín hiệu xoay chiều R0 a) b) Hình cbd2 Cảm biến dòng điện xoay chiều c) Hình cbd2a vẽ mạch lấy tín hiệu dòng điện một pha Dòng điện thứ cấp biến dòng chạy qua điện trở R 0 (điện trở này dùng để biến đổi tín hiệu dòng điện thành điện áp Ubd = R0.I và bảo vệ biến dòng khỏi hở mạch) biến đổi thành tín hiệu điện áp xoay chiều Điện áp xoay chiều đợc chỉnh lu... đổi điện áp sang tần số khi đa tín hiệu vào chân 3 và lấy ra ở chân 10 (nh nửa bên trái của hình cbd2), khi tín hiệu vào là các xung điện áp đa vào chân 11 lấy ra ở chân 12 (nh nửa bên phải hình cbd2) Từ điện trở shunt tín hiệu điện áp RS.I tỉ lệ dòng điện đợc đa vào chân 3 của IC1 9400 Đầu ra của IC1 (chân 10) đa tới LED của bộ ghép quang tranzitor Các xung dòng điện chạy qua LED tạo nên xung điện. .. thay đổi Điện dung là tính chất của các chất cách điện có thể tích trữ điện tích Khoảng cách giữa hai bản cực ảnh hởng đến khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện Từ sự thay đổi điện tích này trạng thái đóng hay mở của cảm biến đợc xác định Giống nh cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung cũng gồm 4 phần: Sensor (bản cực), mạch dao động, mạch ghi nhân tín hiệu, mạch điện đầu ra Khi vật đến gần, điện. .. chỉnh định của các diod sơ đồ làm việc với khuếch đại tuyến tính Nếu điện áp ra KĐTT dơng và vợt quá ngỡng chỉnh của VR1 diod D1 dẫn, hình thành mạch nối tắt R0 Diện áp ra giữ điện áp bằng điện áp đã chỉnh của VR1 Điện áp vào tiếp tục tăng lên, điện áp ra giữ nguyên không đổi (mh hinbhf pt5c) Cách giải thích tơng tự cho trờng hợp điện áp ra âm Cách tạo đặc tính nh trên có thể thực hiện đợc bằng diod . ®¹i vi sai vÏ trªn h×nh 4. 4. TÝn hiÖu ra ®îc tÝnh: 4. 1.5. C¸c m¹ch c¬ b¶n cña K§TT - Bé céng tÝn hiÖu. Trªn h×nh 42 .1 giíi thiÖu mét s¬ ®å nguyªn lÝ bé céng tÝn hiÖu B1 43 4 1 21 A1 1 2 2 u. ZZ Z . Z ZZ u. Z Z u + + +−= i 0 i t Z t u V Z 1 i 1 i V Z 2 i 2 i 3 i 4 Z 3 Z 4 Z 0 u 1A u 1B u 2 H×nh. hiÖu B1 43 4 1 21 A1 1 2 2 u. ZZ Z . Z ZZ u. Z Z u + + +−= i 0 i t Z t u V Z 1 i 1 i V Z 2 i 2 i 3 i 4 Z 3 Z 4 Z 0 u 1A u 1B u 2 H×nh 4. 4 M¹ch khuÕch ®¹i vi sai - + U 1 U 2 U n R 1 R 2 R n R ht U R Hình 42 .1 Sơ đồ nguyên lí mạch cộng tín hiệu +++= n n 2 2 1 1 htR R U . áp hình 41 .6 nhằm giảm thiểu những sai sót không đáng có, Mạch bù tần số hình 41 .7 4. 2 Các bộ điều chỉnh. Nhiệm vụ các bộ điều chỉnh: - + Hình 41 .7 Mạch bù mất đối xứng điện áp - + Hình 4. 5 Mạch