2.4.1.1 Đối tượng điều khiển:
Vì ta xét hai loại ĐCTT khác nhƣ đã nói ở trên nên trong phần cứng ta sẽ đi xét cụ thể cho từng loại.
Đối tƣợng điều khiển là động cơ tuyến tính ĐB-KTVC thì ta có thông số kĩ thuật của động cơ đƣợc cho nhƣ bảng dƣới đây.
Thông số kỹ thuật cơ bản Đánh giá Tình trạng: liên tục
Điện áp chịu đựng: AC1500V , 1 phút Nhiệt độ hoạt động : 0 ~ 400
C
Cuộn dây cách điện : F Class (lớp) ( 1550
C) Thiết bị hiệu ứng Hall: Tùy chọn
Nguồn cung cấp Yêu cầu: Hình thang hoặc sin, 3 pha khôn g chổi than Amplifier
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.4.1.2 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển ta sẽ dùng chung cho việc thực nghiệm cho cả hai loại ĐCTT đang xét ở luận văn. Trong đây sẽ sử dụng bộ TOP2812
Giới thiệu chung về TOP2812
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2. 18 TOP2812 và các phụ kiện đi kèm
Các thành phần của kit bao gồm: bảng mạch, đĩa phần m ềm chứa driver và phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình và giao tiếp với chip DSP, ngoài ra còn có sách giới thiệu, cáp USB và một adapter dùng để cấp nguồn 5V cho mạch.
Top2812 phát triển với đƣợc thiết lập dựa trên TMS320F2812 DSP và EPM240T100C5 nghiên cứu và phát triển chung nền tảng CPLD
Một trong đó cung cấp hơn hai mƣơi dự án thí điểm, trong khi cung cấp một sơ đồ hoàn chỉnh, mã số thƣờng đƣợc sử dụng giao diện ngoại vi, có thể đƣợc sử dụng cá nhân, ở các công ty, các trƣờng đại học và các viện nghiên cứu học tập và giảng dạy công cụ cho ngƣời mới bắt đầu.
Các thành phần có trong TOP2812:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2. 20Vị trí các thành phần trong kit TOP2812
Adapter chuyển đổi giao tiếp USB - JTAG:
Hình 2. 21 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB - JTAG
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong phần thí nghiện ta cần phải đi xác định các tín hiệu đầu ra phục vụ cho việc điều khiển chính vì vậy ta cần các thiết bị đo lƣờng.
Trong thực tế sản xuất, việc đo tốc độ thƣờng là đo tốc độ quay của máy. Trong trƣờng hợp chuyển động thẳng thƣờng xuyên chuyển việc đo tốc độ dài sang việc đo tốc độ quay, do đó cảm biến tốc độ chiếm vị trí ƣu thế trong lĩnh vực đo tốc độ.
Các máy phát tốc độ một chiều và xoay chiều thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động kinh điển.
Để đo tốc độ rôto ta có thể sử dụng cá phƣơng pháp sau đây - Sử dụng máy phát tốc
- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (encoder) - Sử dụng máy đo góc tuyệt đối
- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ .
Do độ chính xác thấp, lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tƣơng tự/số để số hóa tín hiệu đo nên phƣơng pháp sử dụng máy phát tốc đang dần đƣợc loại bỏ. Cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa hay còn gọi là encoder là thiết bị đo lƣờng dịch chuyển thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định đƣợc tốc độ quay của động cơ, vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của encoder dƣới dạng số. Encoder dƣợc sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cảm biến quang (encoder) và cách sử dụng để đo tốc độ quay của động cơ .
Cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa hay còn gọi là encoder là thiết bị đo lƣờng dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định đƣợc tốc độ quay động cơ vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dƣới dạng tín hiệu số. Encoder đƣợc sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot.
*/ Phân loại
Theo dạng chuyển động: chia thành hai kiểu có nguyên lý hoạt động giống nhau: - Encoder thẳng: chiều dài của encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tƣơng ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thƣớc.
- Encoder quay: là một đĩa nhỏ và kích thƣớc encoder không phụ thuộc vào khoảng cách đo. Nó có thể đo đƣợc cả thông số dịch chuyển và tốc độ.
Encoder quay chia làm hai loại: encoder tuyệt đối và encoder tƣơng đối.(absolute encoder và incremental encoder)
+ Encoder tƣơng đối: thƣờng có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh Z (Index).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2. 22: đĩa mã hóa và nguyên lý hoạt động encoder tương đối
Trong hình trình bày nguyên lý của một encoder bao gồm một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát - thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh Z của encoder. Cứ mỗi lần động cơ quay đƣợc một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Nhƣ thế kênh Z xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của động cơ. Bên ngoài đĩa quay đƣợc chia thành các rãnh nhỏ và các cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A( hoặc B) của encoder, hoạt động của kênh A cũng tƣơng tự kênh Z, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của động cơ, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và đƣợc gọi là độ phân giải (resolution) của encoder.
Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau. Để điều khiển động cơ, ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Nó ảnh hƣởng đến độ chính xác điều hiển và cả phƣơng pháp điều khiển. Kênh A và B thông thƣờng đƣợc bố trí lệch nhau 900.
Ngoài cách bố trí nhƣ trên để tạo ra 2 kênh A và B lệch nhau 900
ngƣời ta còn có thể sử dụng các cặp thu-phát A và B đặt lệch nhau nhƣ hình 2.23.
Thông thƣờng các encoder còn kèm theo khả năng xử lý sƣờn xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép thăng số lƣợng vạch đếm trong một vòng đĩa lên 4 lần. Chuỗi xung A hoặc B đƣợc đƣa tới đầu vào của khâu đếm tiến, biết số xung trong một chu kỳ ta sẽ tính đƣợc tốc độ quay của động cơ.
0 60. ( òng / út) 4. . n N n v ph N T Trong đó :
Tn: là chu kỳ điều chỉnh tốc độ ,ở đây là chu kỳ đếm xung (s). N0: là số xung trong một vòng còn gọi là độ phân giải của encoder
Hình 2. 23 dạng xung của các kênh đầu ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
N: là số xung đếm đƣợc trong thời gian Tn
Chiều quay của động cơ đƣợc xác định thông qua tín hiệu xung 2 kênh A và B. Ví dụ xung A xuất hiện trƣớc thì động cơ quay thuận và ngƣợc lại xung B xuất hiện trƣớc thì động cơ quay ngƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Encoder tuyệt đối (Absolute encoder)
Với encoder tuyệt đối ta có thể xác định đƣợc chính xác vị trí roto. Nguyên lý cơ bản của loại encoder này dựa trên việc mã hóa các số nhị phân. Ví dụ với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định đƣợc độ chính xác đến 1/4 vòng.
Xét một encoder nhƣ hình 2.25 gồm có 2 rãnh. Rãnh trong cùng là một nửa vòng tròn trong suốt, một nửa mờ. Khi đọc rãnh này ta xác định đƣợc vị trí roto đang ở nửa vòng tròn nào. Trong trƣờng hợp này ứng với bit có trọng số lớn nhất (MSB). Rãnh giữa đƣợc chia thành bốn phần màu trong suốt và mờ liên tiếp nhau. Đọc rãnh này ta xác định đƣợc vị trí rôt đang ở ¼ vòng tròn nào. Các rãnh tiếp theo cho ta xác định đƣợc vị trí 1/8, 1/16….của vòng tròn. Rãnh ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng ứng với bit có trọng số nhỏ nhất (LSB).
2.4.1.4 Bộ biến đổi (dùng biến tần)
Biến tần là thiết bị biến đổi tần số dòng điện xoay chiều với nguyên lý làm việc khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha đƣợc chỉnh lƣu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này đƣợc thực hiện bởi bộ chỉnh lƣu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này đƣợc biến đổi (nghịch lƣu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này đƣợc thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lƣỡng cực có cổng cách ly) bằng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Về ứng dụng biến tần với công suất điều khiển lớn đƣợc sử dụng hiệu quả trong các trƣờng hợp nhƣ:
- Điều khiển động cơ không đồng bộ công suất từ 15 đến trên 600kW với tốc độ khác nhau;
- Điều chỉnh lƣu lƣợng của bơm, lƣu lƣợng không khí ở quạt ly tâm, năng suất máy, năng suất băng tải ;
- Ổn định lƣu lƣợng, áp suất ở mức cố định trên hệ thống bơm nƣớc, quạt gió, máy nén khí ... cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 25 Đĩa mã hóa encoder tuyệt
đối 2 rãnh
Hình 2. 26 Đĩa mã hóa encoder tuyệt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Điều khiển quá trình khởi động và dừng chính xác động cơ trên hệ thống băng tải; - Biến tần công suất nhỏ từ 0,18- 14 kW có thể sử dụng để điều khiển những máy công tác nhƣ: cƣa gỗ, khuấy trộn, xao chè, nâng hạ ...
Biến tần kết hợp với động cơ không đồng bộ đã đem lại những lợi ích sau: - Hiệu suất làm việc của máy cao;
- Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ của động cơ và các cơ cấu cơ khí dài hơn;
- An toàn, tiện lợi và việc bảo dƣỡng cũng ít hơn do vậy đã giảm bớt số nhân công phục vụ và vận hành máy ...
- Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành.
Ngoài ra, hệ thống máy có thể kết nối với máy tính ở trung tâm. Từ trung tâm điều khiển nhân viên vận hành có thể thấy đƣợc hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lƣu lƣợng, vòng quay ...), trạng thái làm việc cũng nhƣ cho phép điều chỉnh, chẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra.
Sau khi xác định và tìm hiểu các thiết bị cần thiết ta đi vào việc xây dựng mạch cụ thể cho từng loại động cơ đang xét trong luận văn nhƣ sau.
Với động cơ tuyến tính có đặc điểm nhƣ động cơ bƣớc mạch cứng sẽ sử dụng TMS320 với ULN2803, với động cơ tuyến tính ĐB-KTVC thì ta sẽ sử dụng biến tần ghép nối với động cơ nhƣ hình 2.34 và hình 2.35.