Hệ thống gồm các bộ phận chính sau: Bộ phát lệnh (FL) Bộ ghi nhớ (GN) Bộ so sánh (SS) Máy điều chỉnh (MĐC) Động cơ chấp hành (CH) ... 3.4.3.1. Bộ phát lệnh
Nhiệm vụ của bộ phát lệnh là phát lệnh cho bộ điều khiển làm việc theo chu kỳ 4 bước với chu kỳ bằng 8(s) và có thể điều chỉnh chu kỳ được, để tạo ra chu kỳ 8(s) có thể điều chỉnh được ta nhờ bộ tạo thời gian trễ. Sau khi nghiên cứu ta chọn bộ tạo thời gian trễ như hình 3.8.
Vi mạch 555 bao gồm hai khuyếch đại thuật toán thực hiện chức năng so sánh, một trigơ, một tranistơr, vi mạch có 8 chân
1- nối với cực âm nguồn, 2- kích lật 3- cổng ra, 4- khóa, 5- lọc nhiễu, 6- ngưỡng lật, 7- chân phóng điện, 8- chân nối cực dương
Chu kỳ xung T = t1 + t2; t1 = 0,693 C7R11; t2 = 0,693 C7R12. Vi mạch 4017 là bộ chia 10 cùng với vi mạch 555 tạo thành bộ tạo thời gian trễ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Biến trở R11 để điều chỉnh chu kỳ xung chủ đạo phát ra từ vi mạch 555. Chọn chu kỳ bộ phát lệnh T = 8(s), thì R11 = 33 K, R12 = 33K, C7 = 2.2µF, để điều chỉnh chu kỳ xung ta chọn R11 là loại biến trở 50K.
Kết quả mô phỏng xung nhịp và xung ra của mạch tạo thời gian trễ như hình 3.9.
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
Để phát lệnh cho bộ điều khiển làm việc theo chu kỳ 4 bước ta thiết kế bộ phân phối 4 bước, nhiệm vụ của bộ phân phối tạo ra 4 bước, thực hiện bằng thuật toán sau:
Bước 1 1 0 0 0 Bước 2 0 1 0 0 Bước 3 0 0 1 0 Bước 4 0 0 0 1
Sau khi nghiên cứu ta có sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bước như trên hình 3.10.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bộ phân phối này được tạo nên nhờ hai vi mạch 4013BP và 4001BP, vi mạch 4013BP gồm hai flip-flop D, vi mạch 4001BP gồm 4 phần tử NOR, điện áp cấp nguồn cho hai vi mạch +3 ÷ +15v
Nguyên lý làm việc của mạch như sau: Khi chưa có tín hiệu từ bộ tạo thời gian trễ đến giả sử các đầu ra Q1 của 4001 ở mức cao “H”, nên các đầu ra II, III, IV của 4001 ở mức thấp “L”, đầu ra I ở mức cao “H”, đây là trạng thái thứ nhất của bộ phân phối 4 bước, 1 0 0 0 (cũng chính là trạng thái khi bắt đầu làm việc).
Ở sườn dương của xung thứ nhất từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức cao, đầu ra Q1 của U11B ở mức cao, nên đầu ra II của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I,III,IV của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ hai của bộ phân phối 4 bước, 0 1 0 0.
Ở sườn dương của xung thứ hai từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức thấp, đầu ra Q1 của U11B ở mức cao, nên đầu ra III của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I, II, IV của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ ba của bộ phân phối 4 bước, 0 0 1 0
Ở sườn dương của xung thứ ba từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức cao, đầu ra Q1 của U11B ở mức thấp, nên đầu ra IV của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I,II,III của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ tư của bộ phân phối 4 bước, 0 0 0 1
Trạng thái của mạch luôn chỉ có một đầu ra mức cao còn các đầu ra khác ở mức thấp nên không cần thiết kế mạch tự khởi động, như vậy mạch cứ tuần tự lặp lại các trạng thái như trên đúng theo yêu cầu của bộ phát lệnh, xung nhịp lấy từ đầu số 12 của 4017 (mạch tạo thời gian trễ), đưa vào đầu CP1(3) của 4013 thứ nhất U11A, như vậy bằng việc ghép mạch tạo thời gian trễ và bộ phân phối 4 bước ta có bộ phát lệnh đáp ứng các yêu cầu điều khiển đề ra, việc điều chỉnh chu kỳ của bộ phát lệnh được thực hiện bằng việc điều chỉnh biến trở R1 của bộ tạo thời gian trễ. Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra như hình 3.11, mạch điện bộ phát lệnh như hình 3.12.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.11. Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
Đường 1. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra I của bộ phân phối bốn bước
Đường 2. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra II của bộ phân phối bốn bước
Đường 3. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra III của bộ phân phối bốn bước
Đường 4. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra IV của bộ phân phối bốn bước
Hình 3.12. Mạch điện bộ phát lệnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Để ghi nhớ các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp ta chọn phần tử nhớ bằng tụ điện CI& CII. Các tụ điện này phải đảm bảo đủ năng lượng để cho bộ so sánh làm việc chính xác và có khả năng giữ được năng lượng trong chu kỳ làm việc, nếu chọn C lớn thời gian phóng điện dài khi so sánh tụ vẫn giữ một điện áp dư, nếu chọn C nhỏ tụ sẽ không đủ năng lượng để so sánh, ở đây ta tính C sao cho năng lượng đủ mở tầng khuyếch đại vi sai của khuếch đại thuật toán, và tính đến lượng điện tích dò do độ ẩm và nhiệt độ cao, sau khi tính toán ta chọn C = 10 F
Để trích mẫu điện áp (ở đầu và cuối bước) phản hồi lấy từ sensor nhiệt độ về ta dùng cổng công tắc dùng vi mạch. Nhiệm vụ của
cổng công tắc là đóng mở các tín hiệu sau khi có xung điều khiển ở mức cao “H”, hoặc thấp “L”, ở đây ta chọn cổng công tắc là vi mạch 4066, đây là IC thông dụng nhiệm vụ của các chân là: Chân (14) cấp nguồn +12v, (7) GND,
các công tắc ( 1-2), ( 3-4 ), ( 8-9 ), (10- 11 ) được đóng khi các chân điều khiển tương ứng (13), (5), (6), (12), được tác động ở mức cao “H”, tần số làm việc khoảng 90MHz, sơ đồ như hình 3.13. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý làm việc được giải thích như sau: Khi SW1,2 đóng tụ C5 được nạp và ghi nhớ giá trị điện áp Uy1 (giá trị điện áp ứng với nhiệt độ tại thời điểm t1), khi SW4,3 đóng tụ C6 được nạp và ghi nhớ giá trị điện áp Uy2 (giá trị điện áp ứng với nhiệt độ tại thời điểm t2), khi SW8,9 & SW10,11 đóng hai điện áp này được đưa vào khâu so sánh.
3.4.3.3. Mạch so sánh
Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh hai giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp tại thời điểm đầu và cuối của của mỗi bước Uyk và Uyk+1, hiệu của hai giá trị điện áp này được đưa vào khâu logic, ta chọn bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán LM2904P sơ đồ mạch điện như hình 3.14.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
Điện áp ở đầu ra bằng yk = Uyk+1–Uyk, các điện trở R7=R8=R9 =R10=100 KΩ. (để tạo ra khoảng thời gian trễ = 0,1s, tụ điện của bộ ghi nhớ ta chọn bằng 10 F nên các điện trở chọn bằng 100K).
Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và so sánh như hình 3.15.
Hình 3.15. Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
3.4.3.4. Động cơ chấp hành (CH)
Động cơ mở van có công suất nhỏ (vài chục W), đối với các hệ thống cũ thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ngày nay với sự tiến bộ của kỹ thuật vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xử lý và bán dẫn, hệ truyền động xoay chiều đang dần thay thế các hệ truyền động điện một chiều. Đề tài này lựa chọn động cơ mở van là động cơ xoay chiều một pha rotor lồng sóc.
Để thay đổi tốc độ của động cơ ta sử dụng bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều một pha.
Đặc điểm cấu tạo của động cơ xoay chiều một pha roto lồng sóc là phía stator có hai cuộn dây đặt lệch nhau 900 trong không gian, một trong hai cuộn nối tiếp với tụ điện. Cuộn dây nối tiếp với tụ điện làm chức năng của cuộn khởi động. Cuộn làm việc là cuộn nối trực tiếp với nguồn. Việc thay đổi vị trí của cuộn khởi động và cuộn làm việc sẽ thay đổi chiều quay của động cơ.
a. Điều khiển tốc độ động cơ
Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành một điện áp xoay chiều khác cùng tần số nhưng có giá trị khác thì phương pháp thường dùng nhất là ta dùng máy biến áp. Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ, làm việc tin cậy cao, nếu điện áp nguồn là sin thì điện áp ra cũng sin. Tuy nhiên máy biến áp có giá thành tương đối cao và rất khó thay đổi trơn điện áp ra. Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp trong phạm vi rộng thì người ta dùng Bộ biến đổi (BBĐ) xoay chiều – xoay chiều một pha, làm việc trên nguyên tắc sử dụng tính chất có điều khiển của thiết bị bán dẫn từ đó cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kì của điện áp nguồn xoay chiều hình sin cho ra điện áp có giá trị nhỏ hơn điện áp nguồn.
Bộ biến đổi này cũng có ưu điểm là gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra, nhưng nhược điểm là hạn chế về công suất do các thiết bị bán dẫn, điện áp ra không phải là hình sin khi điện áp nguồn là sin. Trong trường hợp này, động cơ mở van có công suất nhỏ thì việc lựa chọn BBĐ là là một giải pháp tối ưu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các Ti1 và Ti2 mỗi ti mở trong ½ chu kì dòng điện , góc mở của hai Ti bằng nhau. Tụ C3 và điện trở R25 để bảo vệ cho các Ti.
b. Đảo chiều động cơ
Sơ đồ nguyên lý :
Hình 3.17. Phương pháp đảo chiều quay động cơ
Để đảo chiều quay của động cơ ta sử dụng một rơle có một cặp tiếp điểm thường mở và một cặp tiếp điểm thường đóng mắc như trên hình 3.17.
Do thời gian dò tìm điểm cực trị là nhỏ so với thời gian duy trì cực trị mà cuộn dây rơ le chỉ có 2 trạng thái có điện và không có điện nên chọn trạng thái trong khi dò điểm cực trị rơ le có điện để đảm bảo tuổi thọ của rơ le và độ chính xác của các tiếp điểm.
Khi cuộn dây rơle có điện thì cuộn làm việc là cuộn 1 và cuộn khởi động là cuộn 2 (động cơ quay theo chiều mở van gió).
Khi cuộn dây rơle không có điện thì tiếp điểm thường đóng cho dòng qua nên cuộn dây 2 của động cơ đóng vai trò cuộn làm việc còn cuộn dây 1 đóng vai trò cuộn khởi động (động cơ quay theo chiều đóng van gió). Do số lần đảo chiều của động cơ là ít nên việc đổi chiều quay bằng rơle là có thể chấp nhận được.
3.4.3.5. Mạch logic
Mạch logic có nhiệm vụ phát tín hiệu điều khiển cho động cơ làm việc theo nguyên tắc: .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk > c (trong đó c là ngưỡng tác động của khối logic), khối logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van một bước x. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk < - c khối logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp hành quay dịch ngược van lại một bước -x .
* Nếu: - c < yk = Uyk+1 - Uyk < c Thì khối logíc không tác động, động cơ không quay, để thực hiện yêu cầu điều khiển như trên ta thiết kế mạch tạo mức ngưỡng, sơ đồ mạch điện như hình 3.18.
Trên sơ đồ mạch điện các bộ khuếch đại thuật toán dùng vi mạch LM324P, phần tử NOR. Để tạo mức ngưỡng cho mạch logic (c = 0.05v) ta cấp một điện áp dương vào đầu đảo của U5B và U6C qua cầu phân áp R4 và R3, để mức ngưỡng đạt 0.05v ta chọn R3 là biến trở loại 100K, điện trở R4 là 470 , điện trở R6 = R5 = 1M.
Bộ khuếch đại U8A là mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại bằng -1, đầu ra của nó có điện áp bằng ± yk.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.19. Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
Nếu: yk > c > 0 đầu ra của U5B ở mức cao đầu ra số I ở mức cao, đầu ra U8A ở mức thấp, đầu ra số II ở mức thấp, đầu ra có tín hiệu cho cuộn rơle điều khiển động cơ quay dịch thuận van một bước x.
Nếu: yk < - c đầu ra U5B ở mức thấp đầu ra số I ở mức thấp. Đầu ra U8A ở mức cao, đầu ra U6C ở mức cao, đầu ra số II ở mức cao, lúc này không có dòng điện qua cuộn rơle làm tiếp điểm thường mở được mở ra và tiếp điểm thường đóng thì đóng lại. Cuộn khởi động và cuộn làm việc được đảo vị trí. Động cơ quay dịch ngược van một bước x (theo chiều đóng van gió ).
Nếu: -c < yk < c. Đầu số I và đầu số II đều ở mức thấp. Lúc này điện áp tại đầu C ở mức cao, qua cách quang làm điện áp tại chân 6 của TCA785 (xem mục 3.4.3.4) bằng 0V nên ngắt xung đầu ra tại chân số 14 và chân số 15. Động cơ không được cấp điện áp nên không quay.
3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành
Thay đổi tốc độ của động cơ bằng thay đổi điện áp stato của động cơ . Điện áp cung cấp cho động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.20. Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
Tại mỗi nửa chu kì của dòng điện thì cần có một xung để kích mở cho Tiristor. Thông thường để tạo xung điều khiển cho Tiristor ta phải thực hiện thiết kế mạch tạo xung có các khối: Đồng bộ hóa, phát sóng răng cưa – So sánh tạo xung – Sửa xung – Khuyếch đại xung, đặc điểm của mạch tạo xung theo các khối này là thiết bị nhiều dẫn đến không chính xác, chỉnh định khó khăn, mạch cồng kềnh và chi phí lớn.
Xu thế hiện nay là sử dụng các IC chuyên dụng tích hợp sẵn. Trong đề tài này ta sử dụng TCA785 là IC rất thông dụng trên thị trường.
a. Giới thiệu IC TCA785
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.21. Sơ đồ các chân TCA785 Hình 3.22. Các khối chức năng của TCA785 Bảng 3.2. Chức năng các chân của TCA785
Chân Ký
hiệu
Chức năng Chân Ký hiệu
Chức năng
1 GND Ground 9 R9 Điện trở cđ sóng răng cưa
2 Q2 Đầu ra 2 đảo 10 C10 Điện dung cđ sóng răng cưa
3 QU Đầu ra U 11 V11 U điều khiển
4 Q1 Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ chỉnh định độ rộng xung 5 VSYN C Điện áp đồng bộ 13 L Long pulse 6 I Đầu vào ngắt Q1 và Q2 14 Q 1 Đầu ra 1 7 Q Z Đầu ra Z 15 Q 2 Đầu ra 2 8 VREF Điện áp ổn định 16 VS Vcc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Điện áp các chân của TCA785:
Hình 3.23. Giản đồ điện áp của các chân TCA785 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ giản đồ điệp áp các chân TCA785 ta có thể sử dụng các xung ra ở chân số 14 (V14 ) và chân số 15 (V15) để điều khiển các Ti. Điện áp ra (V14 & V15 ) có giá trị ở mức cao (V14&V15 )H=(Vs-3.0)V đến (Vs- 1.0), mức thấp (V14&V15 )L=0.3V đến 2.0V.
Độ rộng xung có thể điều chỉnh phù hợp với Tiristo lựa chọn thông qua điều chỉnh giá trị của tụ nối vào chân số 12. Cụ thể: Khi chân 12 để trống thì độ rộng xung ra là