Đồ án thiết kế mô hình hệ thống chiết chai di động

 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 tố

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ

ĐỘNG CƠ BƯỚC

CKM0789

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 phần ứng

Rư là điện trở của dây quấn phần ứng

CKM0789

U là điện áp đưa vào

Sức điện động của động cơ điện một chiều:



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)

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

Mômen điện từ của động cơ:

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

3 Điều chỉnh tốc độ

Ta có phương trình: Eư = U – Rư Iư Thay trị số Eư = kE  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 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 dùng để cung cấp điện áp cho động cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều



.

, ,

E u uK I R U

CKM0789

,

M u

K M

I 

M K

K R R K

U n

M E P u E

2

,











 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 .



Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp

, , E E K K u u I R U n     M K K R K U n M E u E 2

,



 



Iư

+

- -

+ A1

A2

+

- F1

F2 Ikt

Kích từ song song

CKM0789

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  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

k M





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 Đặc tính cơ: n = f(M)

Iư = kI 

M = kM IƯ  = kM kI 2 = k2 2 hay

Với

I M

k k

k 

Ta có:

E u I

R k M k U k



Kích từ độc lập

Vkt +

- Ikt

V

Iư

+ -

- +

Kích từ nối tiếp

- +

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 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

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

CKM0789

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

CKM0789

S% = 100%

od od

 : 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:

M S





% (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

MIN MAX

D





 (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%)

CKM0789

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

max =o

-dm

M (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)

dm qt cMAX

1(

* 0

dm

MIN MAX

K M

K M

* 0

* 1

b u

M  

 



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:

min 0 min

0 min min 0

M S S

MIN MAX

M S S M

D

)

1(

S S D







1)

1(*

3 Hiệu suất

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:

2 2

1

2

).(

R I E I E P

P

u u u

2

2 1

.)

.(

M R K

R M M

P P

M* 

2 0

*

*

) (

.1







K M R





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

Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

CKM0789

 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

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

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC

Phản hồi

Bộ Đảo Chiều

Vi +

-

CKM0789

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_5 Giả 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

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

n

M 1’

Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín

Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là:

t = đ + htTín 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 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)()()()

R I

T (1-13)

M t t

T S s M s M S

J B

s M s M s

.1

)()(.1

)()()

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

(1

)()

()()

(1

)()

(

2 2 2

1 1 1

s M s H s G s G s

U s H s G s G

- Ikt

V

Iư

+ -

- +

CKM0789

Với

).1)(

.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

(

2

u

T s B s

.1(.)

(

.)

()(

2

M u

u

K s

I s

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

2

) ( 1

1

) (

)

1 ( )

(

)

B R

K

B R

) ( (1-29)

B R K

K K

u M

(1-30)

Vậy phương trình (1-28) được viết lại là:

).1().1)(

.1( s T u s T M  s T M

CKM0789

1

.1)()(

M M

K s

U s

M

K T

s B K s

I s

.1).1()()

()(.)()()()(

M M M

M u

u

T s K

K s U s s s I s U s I

B K

K K

u M

M M

).(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 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 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

1 1

.1

).1(

M M M

T s T s K





1 2

M

T s K



CKM0789

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

CKM0789

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

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 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

Ti là tích phân theo thời gian

Td là đạo hàm theo thời gian

CKM0789

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:

CKM0789

Kp = 1,2.T/L

Ki = Kp/(2L)

Kd = 0,5T.Kp Gc(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

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

L T

K

t y(t)

CKM0789

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 cơGiải mã vị trí

Biến đổi

Khuếch đại KĐ có giới hạn Khuếch đại

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

CKM0789

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 điều khiển:

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

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

CKM0789

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:

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

III ĐỘNG CƠ LƯỠNG CỰC

Hình 3.3 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

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

CKM0789

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

CKM0789

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:

LC F

21



Hình 3.6 Khi hai hiện tượng xảy ra gần nhau nó làm giảm moment động cơ về 0

một cách chanh chóng

CKM0789

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

CKM0789

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

Hình 3.9

Cách 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

CKM0789

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 3.11 Như 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:

Mode chạy tới, khoá A và D đóng, B và C ngắt

Mode chạy lui, khoá B và C đóng, A và D ngắt

Hình minh họa mode chạy tới:

CKM0789

Mode các khoá đều khoá, dòng điện cảm ứng nhanh chóng bị triệt tiêu

Mode dòng điện cảm ứng bị triệt tiêu với thời gian chậm hơn Trong

trường hơp này dòng điện chạy vòng qua cuộn dây của động cơ nếu rotor có dịch

chuyển thì sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng làm rotor dừng lại:

Hình 3.13

CKM0789