Đồ án Thiết kế mô hình Chiết Chai di động

Trong thời đại công nghiệp hóa_hiện đại hóa ngày nay, máy móc đã dần thay thế sức lao động của con người; Cùng với sự phát triển như vũ bão của ngành tin học, góp phần làm bàn đạp cho sự tiến công mạnh mẽ trong công nghiệp toàn cầu mà đặc biệt là trong lĩnh vực Tự Động Hóa Điều Khiển. Trong công nghiệp ứng dụng, một thiết bị điều khiển được đặc biệt chú ý và sử dụng rộng rãi do tính chắc chắn, an toàn thích ứng với môi trường công nghiệp mà đặc biệt là mang lại hiệu quả cao, đó là thiết bị điều khiển PLC S7_200 do hãng Siemens sản xuất với phần lập trình bằng ngôn ngữ Step 7. PLC được sản xuất với nhiều thế hệ như: PLC CPU 214, CPU 215, 216,…224, 225,…Trong luận văn này, em đã dùng PLC S7_200 để điều khiển Hệ Thống Chiết Chai Di Động, một dây chuyền sản xuất đang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến đồ uống như Nhà máy bia, nhà máy chế biến nước ngọt,… Và hệ thống này còn có thể được dùng để điều khiển nhiều đối tượng khác như: trong khâu đóng nút chai, trong cắt ống thép, cắt ống nhựa, cắt giấy và trong nhiều ứng dụng khác. Hệ thống này là một khâu khá quan trọng trong một dây chuyền sản xuất vì nó đòi hỏi độ chính xác cao và an toàn trong công nghiệp nên càng ngày càng phải được cải tiến nâng cao năng suất.

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

1 Khái niệm

Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất

rộng rãi song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc

biệt là động cơ điện một chiều

Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử

dụng ở những nơi cần momen mở máy lớn hoặc trong

yêu cầu điều chỉnh tốc độ và phạm vi rộng

Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch

đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một

chiều Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong

các thiết bị ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát

điện một chiều điện áp thấp dùng trong thiết bị điện

hóa, hàn điện với chất lượng cao

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

2 Nguyên lý làm việc

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 phầnứng

Rư là điện trở của dây quấn phầnứng

U là điện áp đưa vào

Sức điện động của động cơ điện một chiều:

Trong đó : p là số đôi cực từ chính

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộndây phần cứng

a là số đôi cực nhánh song song củacuộn dây

n là tốc độ quay (vòng / phút)

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

Mômen điện từ của động cơ:

Ta có phương trình tốc độ:

Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

 Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phầnứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độsẽ giảm Tổn hao trên phần ứng lớn nên chỉ số

sử dụng với động cơ công suất nhỏ

 Thay đổi điện áp U:

Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùngđể 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 dòngđiện kích từ

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

Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợpvới 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)

, ,

E

n    Iư

+

+A1

-A2

+-F1

F2Ikt

Kích từ song song

Ta có : M = KM Iư .



Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp

Đường đặc tính cơ

 Đặc tính làm việc:

Đặc tính làm việc được xác định khi điện áp vàdòng 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  theo công suất có trên trục P2 :

K R K

U n

M E u

Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thayđổi 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

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

Kích từ độc lập

Vkt+-Ikt

V

Iư

+

+

Kích từ nối tiếp

+V

-Iư+-

Đặc tính cơ: n = f(M)

Iư = kI 

M = kM IƯ  = kM kI 2 = k2 2 hay Với

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:

Mn

n

P2

Vùng làm

nIM

ngh

Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn ngh.Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ vớibình 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

4

23

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

- Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _

động cơ)

- Hệ điều áp nguồn _ 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

S% =   (1-1)

Trong đó:

: Tốc độ ứng với tải định mức

: Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trịđặt

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

quan hệ:

(1-2)

Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của

đặc tính cơ , tốc độ đặt khi không tải lý tưởng od 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

(1-3)

Tốc độ lớn nhất max thường bị giới hạn bởi độ bền

cơ của phần quay của động cơ Một số máy điện một

chiều tốc độ lớn nhất còn bị giới hạn bởi điều kiện

chuyển mạch vì khi tốc độ lớn tia lửa phát sinh trên cổ

góp dưới các chổi than sẽ mạnh lên và có thể không

cho phép Vì vậy thông thường chỉ cho phép

max (1-3)đm

Tốc độ nhỏ nhất min trong dải điều chỉnh bị chặn

bởi yêu cầu khắc phục moment quá tải cho phép, bảo

đảm độ chính xác điều chỉnh (s%)

Tốc độ cực đại trong dải điều chỉnh khi Mc = Mđm

max = o - (1-4)

Với yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải khi ta

thấy đặc tính thấp nhất phải có moment ngắn mạch

bằng moment tải cực đại (hinh1-1)

Trong đó: Kqt: Hệ số quá tải do máy gây ra

Hình 1_1

Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất

ứng với moment tải định mức

min = (Kqt.Mđm – Mđm)tg (1-5)Suy ra:

min = Mđm(Kqt - 1).1/

Từ (1-4) và (1-5) ta có:

(1-6)Trong đó:

Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: *

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:

Nếu bỏ qua các đại lượng tổn thất bất biến trong

hệ thì phần tổn thất chủ yếu sẽ nằm trong mạch phần

ứng, nên hiệu suất của hệ là:

(1-10)

Trong đó:

: Công suất đưa ra đầu trục

: Công suất đưa vàoTrong đó:

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:

 = ư +sc

Trong đó:

sc: 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

Khối điều khiển Bộ biến

đổi

Động cơ DC

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

Hệ thống kín còn gọi là hệ thống điều khiển tự

động, nó thực hiện nguyên tắc điều khiển có phản hồi,

tức là tín hiệu ra được đo lường và phản hồi đến đầu

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

Khối điều khiển Bộ biến

đổi

Động cơ DC

Phản hồi

Bộ ĐảoChiều

Vi

+-

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  được giữ nguyên như hình vẽ:

Hình1_5Giả sử các đặc tính của hệ có độ cứng là  và khi

điều chỉnh đến tốc độ min thì sai số tĩnh vượt quá giới

hạn cho phép

(1-11)

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:

t = đ + ht

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 đáng kể

và cứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trị

moment động cơ và M0 cân bằng, hay nói cách khác là

hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ

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

Khối điều khiển Bộ biến

đổi

Động cơ DC

Hồi tiếp

(1-12)

Tư: Thời hằng của mạch phần ứng

(1-13)

(1-14)

với : : 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

(1-19)

(1-20)

(1-21)

(1-22)

từ phương trình (1-19) có quan hệ giữa tốc độ và điện

áp phần ứng và moment tải:

Ta thấy rằng Tu TM nên:

Vậy (1-27) được viết lại là:

(1-28)

Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kín

Sử dụng công thức (1-31) ta có:

) 1 ( 1

u

MT s

B 

K.

Mt(s)

Đặt

Vậy:

Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể

phân tích thành hai khối sau:

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG

CƠ DÙNG TRANSISTOR

1 Các phương pháp đảo chiều quay

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

1 1

1

) 1 (

M M M

T s T s K





1 2

.

1 sMTMK



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

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 (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

Trong đó:

K là độ lợi của hàm điều khiển

Ti là tích phân theo thời gian

Td là đạo hàm theo thời gian t’ là biến tích phân

Hàm điều khiển còn có thể biểu diễn dưới dạng

biến đổi Laplace như sau:

U(s) -Uo (s) =.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 (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

L TK

ty(t)

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 vòng vị trí Sai lệch vị trí được xác

định rồi làm giá trị đặt cho vòng tốc độ

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

Giải mã vị trí

Biến đổi

Vòng dòng điện

Điện 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 )

Động cơ bước có tầm rộng của độ phân giải góc,

bước lớn nhất khoảng 90 độ trên mỗi bước Đối với

động cơ nam châm vĩnh cửu có độ phân giải cao 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 3.1

Nếu 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

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

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 biến nhất tuy

nhiên loại động cơ 15 hay 7.5 độ cho mỗi bước cực có giá

trị hơn

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

Winding 2b 1001100110011001100110011

time ->

Chú ý hai nữa của mỗi cuộn dây không bao giờ

ở mức 1 cùng một lúc Cả hai kiểu kích ở trên sẽ làm

động cơ quay ở từng thời điểm Cách trứơc chỉ có một

cuộn dây kích tại thời điểm dẫn do vậy sẽ tốn năng

luợng ít hơn Đối với cách hai thì tại một thời điểm có hai

cuộn dây được kích đồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng

lượng hơn Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 moment gấp 1.4 lần

so với cách kích trước (chú ý rằng hai nửa của một

cuộn dây không bao giờ được kích đồng thời)

Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta

được cách điều khiển theo kiểu hafl-step:

Động cơ nam châm vĩnh cửu được cấu tạo với phần

cơ giống hệt loại đơn cực nhưng hai cuộn dây được kết nối

đơn giản hơn, không có mối nối ở giữa

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:

Thông thường H-bridge có một tín hiệu cho phép

xuất và một tín hiệu điều khiển khác dùng để điều

khiển chiều quay cho mỗi cực:

Ta có thể nhận ra động cơ bước lưỡng cực nam

châm vĩnh cửu 4 đầu dây động cơ bằng cách đo điện

trở giữa các đầu dây ta sẽ xác định được hai cuộn dây

Trong mỗi dây nếu hai đầu được mắc nối tiếp thì động cơ

có thể sử dụng ở mức điện áp cao Nếu chúng được

mắc song song thì chúng có thể sử dụng ở mức điện áp

thấp Nếu chúng được mắc với điểm giữa thì chúng ở

chế độ như là động cơ đơn cực

IV ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA

Hình 3.4

Loại động cơ này hiếm thấy trong các loại động cơ

bước nam châm vĩnh cửu, đầu của các cuộn dây được

nối tuần hoàn với một nút giữa hai cặp cuộn dây trên

hình tròn Phổ biến nhất là loại 3 phase và 5 phase Điều

khiển động cơ này yêu cầu 1/2 cầu H cho mỗi cực của

động cơ, những loại động cơ này có thể cung cấp moment

lớn hơn so với những động cơ khác có cùng kích thước

Động cơ này có 5 phase có thể đạt tới 0.72 độ /step hay

500 vòng

Với loại 5 phase động cơ sẽ có 10 bước cho mỗi chu

kỳ lặp lại:

Ở đây trong trường hợp động cơ bước nam châm

vĩnh cửu luỡng cực, mỗi đầu dây được nối với nguồn

cung cấp hay là nối xuống đất, chú ý rằng tại mỗi

bước chỉ có một đầu dây được đảo chiều

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:

P: năng lượng tồn trữ (W.s hay Cu.v)

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:

Hình 3.6

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