PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG LÁI. §1. HỆ THỐNG LÁI HOKUSHIN
Hệ thống này được sản xuất từ Nhật Bản, hệ thống kết hợp điện –thuỷ lực. Hệ thống cho phép thực hiện 4 chế độ lái:
+ Lái đơn giản ( NON – FOLLOW UP ) + Lái lặp ( HAND )
+ Lái lặp từ xa ( REMOTE CONTROL ) + Lái tự động ( AUTO )
Máy lái là loại thuỷ lực với bơm biến lượng hình sao dùng động cơ SECVO để điều khiển dịch tâm bơm. Động cơ thuỷ lực là các xilanh lực lắc được. Hệ thống điều khiển dùng vi mạch bán dẫn và các sensin.
1.1. Phân tích đặc điểm kỹ thuật của hệ thống.
1.1.1 Giới thiệu phần tử :(SƠ ĐỒ 03)
Nguồn xoay chiều 440V- 60Hz cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp T2 khi các tiếp điểm A1- A2 của công tắc cấp nguồn chính SWA đóng.
- T2: Biến áp hạ áp, phía thứ cấp của biến áp có 2 cuộn dây. Cuộn thứ nhất đưa nguồn đối xứng 80V tới các mạch khuyếch đại cịn ở cuộn thứ hai có một đầu 22V cấp cho các đèn báo và một đầu dây nguồn 100V cấp cho sensin , A .
- A: Sensin nhận tín hiệu độ lệch hướng đi từ la bàn chuyển về. Tín hiệu ra từ sensin này có tín hiệu xoay chiều có độ lớn tỉ lệ với độ lệch hướng đi của tàu so với hướng đi đặt trước, pha của nó thay đổi tuỳ thuộc vào hướng lệch của mũi tàu. Tín hiệu này được lấy từ 2 pha của các cuộn dây stato để đưa tới chân 10, 11 của khối H2111 của chế độ lái tự động.
- H: Rơto của sensin này có liên hệ cơ khí với vơ lăng lái,dùng để phục vụ cho chế độ
lái lặp. Tín hiệu ra từ sensin này là tín hiệu xoay chiều có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của góc lệch bánh lái. Tín hiệu này được cấp từ 2 pha của các cuộn dây stato để đưa tới chân HR1, HR2 của khối H2135 của chế độ lái lặp.
- : Rôto của sensin này có liên hệ cơ khí với trụ lái. Tín hiệu ra từ sensin là tín hiệu
xoay chiều có độ lớn tỷ lệ với với độ lớn góc quay của bánh lái, pha của nó thay đổi tuỳ thuộc vào hướng quay bánh lái. Tín hiệu này được lấy từ 2 pha của các cuộn dây stato để đưa tới chân 4S1, 4S2 của khối H2111 của chế độ lái tự động.
RY2 : Rơle nối mạch sensin H và ở chế độ lái lặp. RY3 : Rơle nối mạch ở chế độ lái lặp từ xa .
RY7 : Rơle báo nguồn cấp cho hệ thống lái.
LS1,LS2 : Các ngắt cuối, nó tác động khi bánh lái được bẻ đến góc tối đa. GL1 : Đèn báo nguồn.
WL1 : Đèn báo sáng mặt chia độ của la bàn lặp trên trạm điều khiển, độ sáng của nó được điều chỉnh bằng biến trở DM2.
SWA : Cơng tắc cấp nguồn chính. Khi SWA ở vị trí ON, hệ thống được cấp nguồn ở chế độ lái tự động. Nếu ở vị trí NF hệ thống thực hiện lái đơn giản và khi SWA ở vị trí OFF nguồn cấp củ hệ thống bị cắt hồn tồn .
SWB: Cơng tắc chọn chế độ điều khiển. Khi ở chế độ AUTO các tiếp điểm B1, B7, B9, B13 đóng. Khi ở chế độ HAND tiếp điểm B3 đóng và các tiếp đểm B1, B15 cũng đóng suốt. Hoặc khi hệ thống ở vị trí REMOTE các tiếp điểm B11, B15 cùng đóng và đóng cùng B5.
SWY : Tay điều khiển hệ thống lái ở chế độ lái đơn giản. Nó có 2 vị trí điều khiển. Khi SWY chuyển sang vị trí PORT, tiếp điểm Y3 đóng và khi SWY ở vị trí STBD thì Y1 đóng . Bộ khuếch đại và so sánh tín hiệu lái : Đây là bộ khuếch đại bán dẫn gồm các đầu vào và ra sau :
+ AU,AV : Cửa vào của nguồn 0-80V.
+ 1S1,1S2 : Cửa vào tín hiệu điều khiển ở chế độ lái tự động . + 4S1,4S2 : Cừa vào của tín hiệu phản hồi ở chế độ lái tự động. + E : Cửa vào 0V của nguồn cấp .
+W : Cửa vào của chiết áp RS1. Bộ khuyếch đại gồm 4 khối :
+ Khối H2111 : Khối này gồm bộ nắn điện khuếch đại nhạy pha phần tử so sánh và khuếch đại tín hiệu ở chế độ lái tự động .
+ Khối H2136(phía trên): Khối này gồm các tầng khuếch đại trung gian và và bộ tạo xung điều khiển ở chế độ lái tự động .
+ Khối H2136( dưới): Khối khuếch đại tạo xung điều khiển ở chế độ lái lặp.
+ Khối H2140A: Khối này gồm có các cơng tắc tơ điện tử. Các cơng tắc này nhận tín hiệu điều khiển từ khối H2136 để cấp nguồn 100V AC cho động cơ SECVO .
+ WEATHER ADJUST(RSL: Chuyển mạch để điều chỉnh hệ số khuếch đại. Khi thời tiết thay đổi khi sóng to gió lớn cần giảm độ nhạy của hệ thống bằng cách thay đổi hệ số này.
1.1.2. Các khối cơ bản của hệ thống
a.Khối H2111:
*/Tầng đầu gồm hai bộ nắn điện khuyếch đại nhạy pha
R16 R17 R15 R14 R11 R16 HELM G D S G D S Tr 1 Tr 2 C R5 R4 R1 R3 R2 C15 C16 4S1 4S2 µ µ AU E AV UG (Tr1) UG (Tr2) U?A U?A Ur Ur Ur
H5.1. Sơ đồ nguyên lý mạc khuếch đại nắn điện nhạy pha và dạng tín hiệu vào ra
- Mục đích để biến đơỉ tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi từ dạng hình sin thành tín hiệu một chiều có dấu thay đổi theo pha của tín hiệu vào .
- Cặp tranzitor Tr1- Tr2 dùng để biến đổi tín hiệu phản hồi lấy từ sensin. - Cặp tranzitor Tr3- Tr4 để biến đổi tín hiệu điều khiển lấy từ sensin A + Xét nguyên lý hoạt động cho nhóm Tr1- Tr2 :
- Giả sử khi bánh lái quay phải, tín hiệu xoay chiều nhận được từ sensin phản hồi góc lái µ đồng pha với AU- E .
+ Ở nửa chu kỳ đầu, Tr1 được phân cực thuận ( VD1> VS1 ) đồng thời VG1 >VS1 nên Tr1 dẫn. Có dịng đi từ 4S1-R1- D - S - HELM - R5- R4- R2- 4S2.Tr2 cũng được phân cực
thuận (VD2> VS2 ) nhưng VG2<VS2 nên Tr2 bị khoá .
+ Ở nửa chu kỳ sau, Tr1 bị khoá do bị phân cực ngược và Tr2 tiếp tục bị khoá . - Vậy tín hiệu xoay chiều nhận được từ sensin được nắn 1/2 chu kỳ qua Tr1. - Khi bánh lái quay theo chiều ngược lại, tín hiệu nhận được từ đảo pha 1800 so với trường hợp trước. Khi đó tín hiệu này đồng pha vời nguồn AV-E .
+ Ở nửa chu kỳ đầu của điện áp tín hiệu, Tr1 bị khố do bị phân cực ngược (VD1< VS ) Tr2 bị khoá do bị phân cực ngược và VG1 < 0.
+ Ở nửa chu kỳ sau,Tr1 tiếp tục bị khoá VG1 < VS1 ( mặc dù VD1> VS1 ). Tr2 dẫn do được phân cực thuận và VG2 > VS2, khi đó có tín hiệu ra .
- Trở lại nửa chu kỳ đầu, cả Tr1 và Tr2 đều bị khố .
Tóm lại : Nhờ bộ khuyếch đại nhạy pha ta đã nhận được tín hiệu ra có độ lớn và dấu phụ thuộc vào độ lớn và pha của tín hiệu vào.
+ Nhóm Tr3- Tr4 cũng hoạt động tương tự như vậy.
Tổng hợp các tín hiệu ở cửa ra của hai tầng khuyếch đại nhạy pha ta được tín hiệu điều khiển tổng : y = K1+ K2d/dt – K4- K5d/dt */ Tầng khuyếch đại tổng WEATHER helm r42 r36 r37 r5 C1 r44 C13 r46 rV2 TR5 TR6 Ur +UN -UN GAIN K1+K2 K3 K4 m301a
H5.2.Tầng khuyếch đại tổng sử dụng vi mạch LM301A. Với cách mắc này ta có : UR = UT ( 1- ZPh/Z1 )
Dấu của điện áp tín hiệu điều khiển tổng UR phụ thuộc vào dấu của y.
Tín hiệu này được đưa tới cực gốc của tầng khuyếch đại đẩy kéo gồm Tr5 vàTr6 .
Nếu UR > 0 thì bóng Tr5 dẫn. Có tín hiệu mang giá trị dương được lấy qua triết áp RV2 (gain ) để đưa tới bộ khuyếch đại vi sai ở khối H2136.
Nếu UR < 0, bóng Tr6 dẫn, khi đó có tín hiệu mang giá trị âm được lấy qua giá trị RV2 để đưa tới khối H2136.
b. Khối H2136 ( phía trên )
*/Tầng đầu của khối khuyếch đại H2136 là một bộ khuyếch đại vi sai :
Gồm 2 tranzitor Tr12 và Tr13. Tín hiệu điều khiển được lấy vào chân 13 của khối đưa tới cực gốc của Tr12 ( cửa thứ nhất của bộ khuyếch đại vi sai ). Cửa thứ hai được lấy từ nguồn 0V có ổn áp đưa tới cực gốc của Tr13. Bằng cách điều chỉnh VR4 ( chỉnh 0 ) tạo phân cực ban đầu để Tr12 và Tr13 có độ dẫn như nhau ( Điều chỉnh VR4 – DEAD BAND ta có thể thay đổi được độ dẫn của Tr8 làm thay đổi thế âm trên VR4 để thay đổi được độ mở của Tr12 và Tr13).
*/ Bộ tạo xung :
Bộ tạo xung có nhiệm vụ phát xung điều khiển các thyristor SCR1, SCR2 , SCR3 và SCR4 của khối H2140A..
Bộ tạo xung gồm các phần tử sau :
Tr11 và Tr14 : Được phân cực để có độ mở ban đầu như nhau làm cho dòng nạp cho các tụ C19 ,C20 ở trạng thái ban đầu là bằng nhau, ở chế độ chưa điều khiển, điện áp nạp cho hai tụ C19 và C20 chưa đạt đến điện áp ngưỡng làm thông các tranzitor trường Tr10 và Tr15 . Tr9 và Tr16 : Là các tranzitor cơng suất có tín hiệu điều khiển đưa đến cực gốc dưới dạng xung.
T1 và T2 : Các biến áp xung T1 phát xung điều khiển các thyritor SCR3 và SCR4, T2 phát xung điều khiển các thyritor SCR1 và SCR2 .
*/ Nguyên lý hoạt động của khối H2136 :
- Khi chưa có tín hiệu điều khiển đưa tới chân 13 của khối H2136 :
Nguồn đồng bộ ( 0- 80V ) được đưa tới các chân 1,12 và 2 của khối H2136. Tr5 phân cực thuận và UG > 0 nên Tr5 dẫn. Một thế dương bằng sụt áp trên R23 được đưa tới cực gốc của Tr11 và Tr14 làm các tranzitor có độ dẫn như nhau ( khơng thơng hồn tồn ). Tụ C19 và C20 được nạp với điện áp ban đầu bằng điện áp rơi trên E- C của Tr11 và Tr14. Điện áp này chưa đạt đến điện áp ngưỡng làm Tr10 và Tr15 dẫn nên Tr9 và Tr16 cịn khố do đó chưa có dịng qua sơ cấp của biến áp T1 và Tr2 nên chưa có xung điều khiển đưa tới các thyritor do đó motor SECVO không được cấp nguồn và như vậy bơm thuỷ lực khơng có lưu lượng ra (do tâm bơm cịn nằm ở chính giữa) vì vậy bánh lái khơng quay.
- Giả sử có tín hiệu điều khiển có giá trị dương được đưa tới cực gốc của Tr12 do đó Tr12 dẫn nhiều hơn nên thế tại A ( VR4 ) bớt âm làm Tr13 khoá bớt.
Do Tr12 dẫn thêm nên áp đặt lên tụ C19 giảm Tr10 tiếp tục khoá.
Do Tr13 khoá bớt nên tụ C20 được nạp với điện thế cao hơn do đó nó đạt đến giá trị đủ để Tr15 dẫn nên có dịng qua sơ cấp T2 nên có xung điều khiển đưa tới SCR1 và SCR2 làm các
thyritor này dẫn đưa nguồn tới servo motor SECVO, motor này làm lệch tâm bơm nên có lưu lượng chất lỏng cơng tác đưa tới động cơ thuỷ lực làm quay bánh lái .
- Nếu tín hiệu điều khiển đưa tới cực gốc của Tr12 có giá trị âm thì Tr12 sẽ bớt khố .Thế âm tại A làm tranzitor Tr13 thông thêm .
Tr13 dẫn thêm nên điện áp nạp cho tụ C20 giảm nên Tr15 vẫn khoá .
Tr12 khoá bớt nên điện áp nạp cho C19 tăng lên và đạt đến giá trị đủ lớn để Tr10 dẫn do đó có xung điện áp dương đưa tới Tr9 làm Tr9 dẫn ( Dẫn và khoá theo nhịp xung phát của tranzitor trường Tr10 ) nên có dịng qua thứ cấp của biến áp T1 vì vậy có xung tới điều khiển các thyritor SCR3 và SCR4 nên cấp nguồn cho động cơ SECVO ( Động cơ SECVO quay với chiều ngược lại với trường hợp trên ).
c. Khối H2140A
Khối này gồm 2 cụm thyritor làm nhiệm vụ đóng ngắt mạch cấp nguồn cho động cơ SECVO.
SCR1 và SCR2 mở nên nguồn AC 100V được đưa tới động cơ SECVO để động cơ quay theo một chiều náo đó .
SCR3 và SCR4 mở nên nguồn AC 100V được đưa tới động cơ SECVO làm động cơ quay theo chiều ngược lại .
Chú ý : Khi có xuất hiện tín hiệu điều khiển ở cửa 13 của khối H2136, biến áp T1 và T2 sẽ phát một chuỗi xung liên tục có chu kỳ bằng thời gian nạp của tụ C19 hoặc C20. Chuối xung này sẽ mất đi khi hết tín hiệu điều khiển tới cửa 13. Các thyritor SCR1, SCR2 hoặc SCR3, SCR4 sẽ được mở thông khi chúng được phân cực thuận và có xung điều khiển đưa tới cực điều khiển .
d. Khối H2136 ( phía dưới )
Khối này dùng cho chế độ lái lặp và lái từ xa .
Khối H2136 này có cấu tạo hồn tồn giống với khối H2136 ( phía trên ) dùng cho chế độ lái tự động .
Ở chế độ lái lặp, tín hiệu điều khiển là một điện áp xoay chiều ( nhận được từ cuộn một pha của sensin H : UH = UN sin() được đưa tới chân 15 và chân 16 của khối H2136 . Bộ khuyếch đại nhạy pha gồm các tranzitor một tiếp giáp Tr1 và Tr2 sẽ biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu một chiều có cực tính thay đổi phụ thuộc vào góc ban đầu của điện áp tín hiệu. Như vậy , tuỳ thuộc vào việc thực hiện lệch quay lái sang phải hoặc sang trái mà ở đầu ra của bộ khuyếch đại nhạy pha ( lấy trên VR1 ) sẽ có tín hiệu điều khiển có giá trị dương hoặc âm. Tín hiệu này được đưa từ cửa 14 sang cửa 13 để điều khiển Tr12. Hoạt động của tầng khuyếch đại vi sai và bộ tạo xung của khối này giống như đã trình bày ở trên.
1.2. Các chế độ hoạt động của hệ thống.
1.2.1.Chuẩn bị cho hệ thống làm việc
Bật cơng tắc SWA về vị trí ON cấp nguồn cho hệ thống. Khi đó, các tiếp điểm A1, A3, A9 , A11 đóng, đèn GL1 sáng báo hệ thống đã được cấp nguồn và rơle RY7 có điện .
1.2. Các chế độ hoạt động của hệ thống.
1.2.1.Chuẩn bị cho hệ thống làm việc
Bật cơng tắc SWA về vị trí ON cấp nguồn cho hệ thống. Khi đó, các tiếp điểm A1, A3 , A9, A11 đóng, đèn GL1 sáng báo hệ thống đã được cấp nguồn và rơle RY7 có điện .
1.2.2. Chế độ lái đơn giản
Chuyển công tắc SWA về vị trí NON FOLLOW UP, các tiếp điểm A13 đóng sẵn sàng cấp nguồn cho động cơ SECVO .
Giả sử, tàu lệch về phía trái so với hướng đi cho trước, ta thực hiện lệch bẻ lái phải . Chuyển cơng tắc SWY về vị trí STARBD, tiếp điểm Y1 đóng, động cơ SECVO SMI có điện điều khiển dịch tâm bơm biến lượng cấp dầu vào động cơ thuỷ lực làm quay bánh lái sang trái .
1.2.3. Chế độ lái lặp
- Chuyển cơng tắc SWB về vị trí HAND, các tiếp điểm B3 và B11, B15 đóng suốt trong các q trình lái lặp và lái lặp từ xa. Tiếp điểm B3 đóng cấp điện cho rơle RY2, đèn WL1 có điện chiếu sáng cho mặt chia độ của la bàn .
- Khi quay vô lăng lái đi một góc nào đó, sensin H quay theo và nó phát ra một tín
hiệu điện áp xoay chiều tỉ lệ với góc quay. Thơng qua các chân HR1, HR2 điện áp này được đưa tới các cửa 15, 16 của khối H2136 ( phía duới ) để thực hiện chỉnh lưu nhạy pha, sau đó qua khuyếch đại đến khâu tạo xung. Biến áp xung sẽ tạo xung điều khiển các thyritor tác động tới động cơ SECVO làm dịch tâm bơm biến lượng đưa dầu vào động cơ thuỷ lực làm quay bánh lái.
- Khi bánh lái quay, rơto của sensin µ quay theo và phát ra tín hiệu phản hồi góc bẻ lái, cho tới khi tín hiệu này sẽ cân bằng với tín hiệu góc bẻ vơ lăng lái của sensin H thì bánh lái
sẽ dừng lại ở vị trí đó.
- Hàm điều khiển của hệ thống : y = K1β K4
- Khi báng lái dừng lại, tàu đã ổn định hướng đi, y = 0 .
1.2.4. Chế độ lái lặp từ xa