Bài giảng cảm biến và phần tử tự động.

Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định,phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tínhiệu ra.Chức năng: Điều khiển, điều chỉnh. Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống. Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định,phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tínhiệu ra.Chức năng: Điều khiển, điều chỉnh. Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống. Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ

Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHẦN TỬ TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái quát chung Hình 1.1 Phần tử tự động Hình 1.2 Phần tử tự động nhiều tín hiệu vào/ra Trong đó: x: tín hiệu vào y: tín hiệu Phần tử là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định, phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có nhiều tín hiệu vào, nhiều tín hiệu Chức năng: - Điều khiển, điều chỉnh - Kiểm tra tự động kiểm tra hệ thống - Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ 1.2 Phân loại phần tử tự động a Phân loại dựa vào chức - Biến đổi với quan hệ Vào/Ra đơn trị ( phần tử cảm biến) - Biến đổi Điện / Không điện ngược lại - Biến đổi tín hiệu theo trị số lượng ( KĐ) - Biến đổi tín hiệu Rời rạc/ Liên tục ( ADC/ DAC) ngược lại - Biến đổi dòng Một / Xoay chiều ngược lại ( chỉnh lưu, nhạy pha, nghịch lưu ), - Thực phép toán logic, - Phần tử so sánh, - Phân phối tín hiệu với mạch khác - Phần tử tạo chương trình b Phân theo tính chất phần tử - Nhóm cảm biến tín hiệu Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T - Nhóm rơle - Nhóm khuếch đại - Nhóm ổn định - Nhóm giải tích - Phần tử nhớ c Phân theo dạng tín hiệu - Tín hiệu liên tục, - Tín hiệu rời rạc 1.3 Các đặc trưng phần tử tự động 1.3.1 Hệ số biến đổi - Hệ số biến đổi tỉ số biến thiên tín hiệu đầu y biến thiên tín hiệu đầu vào x y x (1.1) Trong đó: k: hệ số biến đổi; k phụ thuộc vào đặc tính vào phần tử y = f(x) Với phần tử tuyến tính k = const; với phần tử tuyến tính k hàm số 1.3.2 Sai số - Sai số thay đổi tín hiệu đầu tín hiệu đầu vào không đổi + Sai số tuyệt đối: + Sai số tương đối: + Sai số quy đổi: 1.3.3 Ngưỡng nhạy - Ngưỡng nhạy thay đổi giá trị tối thiểu tín hiệu đầu vào mà không gây thay đổi tín hiệu đầu Hình 1.3 Ngưỡng nhạy Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T 1.3.4 Phản hồi Hình 1.4 Khâu phản hồi - Tác dụng dùng để tăng cường tín hiệu ( hệ số khuếch đại ) tăng tính định - Với phần tử có phản hồi hàm truyền tĩnh tính theo công thức : ktt  W1  WW (1.2) Trong đó: +Dấu âm (-) sử dụng phản hồi dương ( hình b); dấu cộng (+) sử dụng cho phản hồi âm ( hình a ) + W1 hàm truyền mạch hở W2 hàm truyền mạch kín có phản hồi 1.4 Các khâu hệ thống tự động 1.4.1 Khâu Role hai trạng thái Hình 1.5 Đặc tính khâu role hai trạng thái Tín hiệu ra: y  Ym Sgn( x) Trong đó: Sgn(u) hàm tín hiệu ( hàm dấu ): - Khâu hai trạng thái thường dùng để mô tả điều khiển Role lý tưởng - Nếu tín hiệu vào dao động xung quang điểm tín hiệu nhảy bậc để khắc phụ người ta sử dụng khâu khuếch đại bão hòa 1.4.2 Khâu khuếch đại bão hoà Phần tử có đặc tính dạng có vùng bão hoà thường gặp điều chỉnh tốc độ động có giới hạn tốc độ  Ym Sgn( x) neu x  D y   K x neu x  D Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T Hìn Động bước kiểu phản kháng - Hình 6.9 trình bày cấu tạo động bước kiểu phản kháng rotor cuộn dây kích thích, cấu tạo thấy loại động giống với động bước kiẻu cảm ứng stator cuộn dây kích từ để đưa dòng điện chiều vào mà không thiết kế stator có từ trường chiều tạo nam châm vĩnh cửu N - S Hình 6.9 Động bước kiểm phản kháng 87 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T - Như vậy, máy thành phần từ thông chiều khe hở không khí Loại động bước có số lượng trị số moment đồng thấp so với động bước kiểu cảm ứng Mặt khác, stator không bố trí nam châm vĩnh cửu N-S nên khả cố định lực giữ từ trường tạo ngắt điện cuộn điều khiển c Động bước kiểu hỗn hợp (hybrid) Về cấu tạo, kết hợp hai loại động Về tính chất, phát huy ưu điểm động nam châm vĩnh cửu động phản kháng: có mômen hãm (khi ngắt điện), có mômen giữ mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao có số bước lớn (góc bước khoảng từ 0,450 ÷ 150) Hình 6.11 vẽ cấu tạo động hỗn hợp có góc bước 1,80 Hình 6.11 Động bước kiểu hỗn hợp Hiện thị trường có mặt chủ yếu động loại với cấu tạo pha pha, góc bước 1,80 Trên phương diện dòng điện điều khiển, động nam châm vĩnh cửu phân làm hai loại: động đơn cực (điều khiển dòng điện đơn cực) động lưỡng cực (điều khiển dòng điện lưỡng cực) Về số lượng pha stato, động bước phân thành loại hai pha, pha nhiều pha Cấu tạo động nam châm vĩnh cửu loại đơn cực lưỡng cực Hình 6.12 Động bước NCVC hai pha kiểu lưỡng cực Hai cuộn dây pha đối xứng, vuông góc với quấn thành hai phần vị trí xuyên tâm đối stato 88 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T Hình 6.13 Động bước nam châm vĩnh cửu bốn pha kiểu đơn cực Bốn cuộn dây pha đôi trực giao đôi quấn kép lồng vào nhau, cuộn quấn thành phần vị trí xuyên tâm đối stato 6.3.3 Nguyên lí làm việc động bước Hình 6.14 Sơ đồ nguyên lí động bước m pha, rotor hai cực không kích thích, điều khiển xung cực Khác với động đồng thông thường, động bước rotor cuộn khởi động, động khởi động phương pháp tần số Rotor động bước kích thích mà không kích thích Hình 6.14 trình bày Sơ đồ nguyên lí động bước m pha, rotor hai cực 2p = không kích thích, điều khiển xung cực xung hai cực hình 6.15 Khi cung cấp xung cực, điện áp biến đổi từ đến +U cung cấp xung hai cực điện áp biến đổi từ +U đến –U Chuyển mạch điện tử cung cấp điện áp điều khiển cho cuộn dây stator theo nhiều phương thức khác riêng lẻ theo nhóm Hình 6.15 Xung cực hai cực cung cấp cho động bước 89 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T Trị số chiều sức từ động ( stđ) tổng F động thời điểm cung cấp định vị trí trạng thái rotor không gian Hình 6.16 trình bày cách cung cấp xung cực cho cuộn dây stator với trình tự 1, 2, ,m theo cuộn dây riêng lẻ Với cách này, rotor động có m vị trí ổn định trùng với trục cuộn dây Trong thực tế để tăng cường stđ tổng cho động để tăng moment đồng bộ, người ta thường cung cấp sđđ cho hai ba nhiều cuộn dây, lúc rotor động có vị trí cân ổn định trùng với vecto stđ tổng F Với việc cung cấp số lẻ số chẵn sđđ cho cuộn dây rotor có m vị trí cân bằng, góc xê dịch hai vị trí liên tiếp : 2 M KD  Km ( F Thuan  F Nguoc ) Nếu cung cấp xung điện áp theo thứ tự hai số chẵn cuộn dây, tiếp đến hai số lẻ cuộn dây ví dụ 12 – – 23 – - m số vị trí cân rotor tăng lên gấp đôi 2m Nếu số lượng cuộn dây điều khiển luôn không đổi: số chẵn cuộn dây lại số lẻ cuộn dây gọi điều khiển đối xứng Nếu số lượng cuộn dây điều khiển luôn thay đổi ví dụ lẻ, chẵn, chẵn, lẻ, chẵn gọi điều khiển không đối xứng Số bước quay rotor khoảng từ đến 360o là: k  m.n1.n2 p (6.13) Trong đó: p – Số đôi cực rotor, m – Số cuộn điều khiển stator, n1 – Hệ số với n1 = điều khiển đối xứng n1= điều khiển không đối xứng n2 – Hệ số với n2 = điều khiển xung cực n2 = điều khiển xung hai cực Và bước quay rotor không gian:  360o k (6.14) 6.3.4 Moment đồng trạng thái ổn định tĩnh động bước Moment đồng tĩnh động bước rotor stator có có kích thích bao gồm ba moment quay: M ( )  M S  M R  M SR (6.15) MS  dL pI S S d (6.16) MR  dL pI R R d (6.17) 90 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T I S , I R , LS ( ), LR ( ), LSR ( ) (6.18) Trong đó: M SR  pI S I R dLSR trị số xác lập tương ứng dòng điện, hệ số tự cảm, hệ số hỗ d cảm stator, rotor p số đôi cực - Moment MS hình thành thay đổi từ dẫn khe hở không khí đường từ thông stator kích thích dòng IS - Moment MR hình thành thay đổi từ dẫn khe hở không khí đường từ thông rotor kích thích dòng IR - Moment MSR hình thành thay đổi hỗ cảm stator rotor kích thích dòng IS IR Trường hợp stator rotor không kích thích: trị số dòng IS IR không biểu thức moment trở nên đơn giản hơn, thành phần vắng mặt biểu thức thành phần hỗ cảm không Ví dụ: IR = MR = MRS = lúc moment: M ( )  dL p.I S S d (6.19) Quan hệ moment thành phần: M S , M R , M SR với góc quay  ( góc trục từ trường tổng trục rotor xác định bởiquan hệ LS , LR , LSR với góc quay ) quan hệ không sinus cấu trúc rãnh, cấu trúc cực lồi rotor Các thành phần không sinus phân tích theo chuỗi fourier để có loạt hàm số điều hòa Như hàm moment tổng M = f() số động bước biểu diễn hình 6.17 Hình 6.17 Quan hệ moment góc quay Chất lượng động bước đánh giá độ dốc đường cong moment đồng M = f() đặc biệt đoạn chứa điểm làm việc động (đường nét đậm) Độ cong M = 91 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T f() vùng làm việc lớn suất dM lớn khả đồng động bước d lớn Sự xuất vùng lõm (yên ngựa) đặc tính điều không mong muốn ứng với giá trị MC xuất hai điểm làm việc xảy (điểm 2) Hình 6.18 Quan hệ moment góc quay Hình 6.19 trình bày đặc tính moment động bước chuyển mạch điều khiển Giả sử trước chuyển mạch động bước mang tải với moment cản MC ứng với giá trị góc, chuyển xung điều khiển sang pha khác stđ stator chuyển dịch cách đột biến với bước dịch Nếu bỏ qua trình độ, coi dòng điện stator đạt giá trị xác lập cách tức thời đường cong moment đồng tĩnh dịch chuyển góc Do dịch chuyển đột biến moment mà góc tải dịch thêm góc, lúc M  Moment đồng tăng thêm lượng nên rotor động bắt đầu chuyển dịch đến vị trí Tại vị trí cân lại có M = MC Hình 6.19 Đặc tính tĩnh động bước sau chuyển mạch điều khiển xung điện áp đặt vào cuộn dây Sự chuyển bước rotor thực điều kiện định, mà dịch chuyển stđ stator góc anpha không dẫn động vào vùng ổn định đặc tính góc: M  f ( ) (6.20) 92 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T Nếu góc anpha lớn rotor động rơi vào vùng ổn định, trường hợp rotor không bám theo từ trường tách khỏi trạng thái tác động luồng từ thông dẫn đến moment đồng nằm vùng có độ dốc âm động không đến vị trí điều khiển mong muốn, động bị bước Việc động bước không cho phép điều khiển bước tín hiệu, thông tin Để động không bị bước, cần phải thỏa mãn điều kiện sau:  M C  M max Cos( ) K Số bước quay K lớn (tức   (6.21) 360 o nhỏ) moment cản M C trục động k cho phép lớn Trường hợp giới hạn K  thì điều kiện làm việc ổn định động bước không khác so với điều kiện làm việc ổn định động đồng thông thường momen cản nhỏ momen max M C  M max (6.22) 93 ... trưng phần tử tự động 1.3.1 Hệ số biến đổi - Hệ số biến đổi tỉ số biến thiên tín hiệu đầu y biến thiên tín hiệu đầu vào x y x (1.1) Trong đó: k: hệ số biến đổi; k phụ thuộc vào đặc tính vào phần. .. (6.17) 90 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T I S , I R , LS ( ), LR ( ), LSR ( ) (6.18) Trong đó: M SR  pI S I R dLSR trị số xác lập tương ứng dòng điện, hệ số tự cảm, hệ số hỗ d cảm stator,... hai phần vị trí xuyên tâm đối stato 88 Bài giảng: Cảm biến phần tử tự động Đ.Đ.T Hình 6.13 Động bước nam châm vĩnh cửu bốn pha kiểu đơn cực Bốn cuộn dây pha đôi trực giao đôi quấn kép lồng vào