Cảm biến là thành phần quan trọng trong điều khiển động cơ. Cảm biến được sử dụng để cảm nhận về dòng điện, vị trí, tốc độ và hướng quay của động cơ. Hiện nay sự phát triển của công nghệ cảm biến làm cho cảm biến ngày càng ổn định và chính xác bên cạnh đó giá thành ngày càng giảm. Nhiều cảm biến hiện nay đã được tích hợp vào các mạch điện tử và được đóng gói nhỏ gọn.
Trong hầu hết các hệ thống điều khiển động cơ, một vài sensor được sử dụng để phản hồi về động cơ. Các cảm biến này được sử dụng trong vòng lặp
điều khiển và để nâng cao tính ổn định bằng tìm ra lỗi gây nguy hiểm cho động cơ.
Như ví dụ hình 27 khối điều khiển động cơ DC để biểu diễn cảm biến phản hồi cung cấp cho điều khiển động cơ đặc biệt.
Danh sách các loại cảm biến được sử dụng để phản hồi tới vi điều khiển được liệt kê bên dưới:
• Phàn hồi dòng điện:
Ø Điện trở shunt.
Ø Biến áp
Ø Cảm biến dòng điện dùng Hall.
• Phản hồi tốc độ/vị trí
Ø Mã hóa pha vuông góc.
Ø Máy đo tốc độ dùng cảm biến Hall.
Hình 27. Tổng quan sơ đồ khối điều khiển động cơ
3.2.4.1 Cảm biến dòng điện
Có 3 loại cảm biến dòng điện thường dùng trong ứng dụng điều khiển động cơ là:
- Điện trở shunt. - Cảm biến Hall. - Biến dòng.
Điển trở Shunt thường được dùng vì nó cung cấp giá trị đo chính xác và giá cả phải chăng. Cảm biến dòng điện dùng hiệu ứng Hall được sử dụng rộng rãi vì chúng cung cấp phương pháp đo non-intrusive và kích thước nhỏ gọn được nối với mạch tín hiệu. Loại biến dòng cũng là loại cảm biến sử dụng công nghệ thường dùng nhưng được sử dụng đặc biệt trong các ứng dụng dòng lớn hoặc bộ giám sát đường truyền AC (line-monitor). Một tổng kết về điểm mạnh điểm yếu của các loại cảm biến trên được cho ở bảng 3.
Bảng 3. So sánh các loại cảm biến dòng
Hình 28 là biểu diễn động cơ AC 3 pha dùng trở shunt để đo dòng điện. Nhìn vào 2 hình này có thể thấy dùng 1 điện trở shunt để đo dòng của cả 3 pha hoặc mỗi pha dùng 1 điện trở shunt để đo dòng điện mỗi pha. Thực tế có thể dùng 2 loại cảm biến còn lại để đo dòng điện.
Hình 28. Đo dòng điện động cơ AC
3.2.4.2 Điện trở Shunt
Điện trở shunt là loại cảm biến dòng điện thường được sử dụng vì giá thành của nó thấp và độ chính xác cao. Giá trị điện trở shunt nhỏ được xác định trước từ đó người ta có thể đo điện áp rơi trên tải để xác định dòng điện đi qua tải.
Tiêu chuẩn chọn điện trở shunt đo dòng yêu cầu:
- Tăng giá trị Rsense tăng điện áp Vsense làm khuếch đại lỗi điện áp offset (Vos) và đầu vào dòng điện phân cực offset không đáng kể.
- Giá trị Rsense lớn làm mất điện áp và giảm công suất tác dụng do I2R rơi trên điện trở.
- Giá trị Rsense lớn
- Với những mục đích đặc biệt thì điện trở có điện cảm thấp được sử dụng nếu dòng điện qua nó có tần số lớn.
- Công suất định mức của điện trở cũng cần được xem xét bởi vì công suất hao tán I2R làm cho điện trở tự nóng lên và thay đổi giá trị thông thường của điện trở.
Nếu sử dụng điện trở tiêu chuẩn thì nên dùng loại điện trở màng kim loại (metal-film resistor) hơn là loại điện trở dây quấn (wire-wound resistor) vì loại dây quấn có độ tự cảm lớn hơn.
Loại điện trở shunt PCB (PCB shunt resistor) có giá thấp hơn so với điện trở rời (discrete resistor) nhưng độ chính xác trong dải nhiệt độ rộng thì không bằng với điện trở rời. Hệ số nhiệt của điện trở shunt bằng đồng PCB xấp xỉ +0.39%/oC.
Miếng điện trở có giá trị phụ thuộc vào 4 yếu tố: - Chiều dài L.
- Độ dày t. - Chiều rộng w. - Điện trở suất ρ.
Hình 29. Cấu tạo và kí hiệu trở shunt
Đo dòng điện qua trở shunt ở phía cao và phía thấp
3.2.4.3 Tổng quan điện trở Shunt
Dòng điện qua trở shunt có thể đo ở phía cao hoặc phía thấp được biểu diễn trong hình 4. Với cách đo dòng điện phía cao thì điện trở shunt một đầu được nối với nguồn một đầu được nối với tải. Còn trong trường hợp đo dòng trở shunt phía thấp thì một đầu điện trở shunt được nối với tải đầu còn lại nối với đất. Tùy theo loại động cơ mà chọn phương pháp đo nào để áp dụng.
Phương pháp đo dòng điện ở phía cao được ưu tiên sử dụng vì nó ít xâm nhập vào mạch hơn đo phía thấp. Tuy nhiên đo phía cao thì phức tạo hơn đo phía thấp.
Đo điện trở shunt phía cao không có tác động nhiều vào hệ thống nếu điện trở nhỏ và điện áp rơi trên điện trở shunt là nhỏ khi so sánh với điện áp cung cấp. Ngược lại đo ở phía thấp có điện trở shunt được nối một đầu xuống đất điều này sẽ có thể gây ra nhiễu và các vấn đề về EMI trong hệ thống.
Đo phía thấp được chọn để áp dụng bởi vì có thể sử dụng op amp để khuếch đại điện áp thấp từ đó xác định được áp rơi trên điện trở shunt. Vì có một chân nối đất nên thực tế nó không được sử dụng trong một số ứng dụng. Bây giờ chúng ta phân tích kĩ hơn từng phương pháp, ưu nhược điểm của từng loại.
3.2.4.4 Đo dòng điện qua điện trở Shunt
Hình 30. Sơ đồ mạch dòng ở phía cao và phía thấp
3.2.4.5 Đo dòng điện phía cao
Đo dòng điện phía cao có thể được thực hiện với mạch khuếch đại vi sai đầu ra là điện áp tỉ lệ với giá trị Vsense hoặc dòng điện qua tải. Hình 5 là ví dụ về mạch đo đòng điện dùng trở shunt. Mạch khuếch đại vi sai có thể được tiến hành với một op amp và điện trở rời hoặc một IC tích hợp. Các loại IC khuếch đại vi sai tích hợp được nhiều hãng điện tử sản xuất và đó cũng là một giải pháp thuận lợi bởi vì bộ khuếch đại và các điện trở cần thiết được tích hợp kết nối trong một chip đơn.
Các ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp đo này được liệt kê dưới đây
Ø Ưu điểm
- Ít xâm nhập vào mạch hơn là phương pháp đo phía thấp và không tác động tới đặc tính EMI của hệ thống.
- Có thể dò lỗi quá dòng mà có thể gây ra ngắn mạch hoặc nối nhầm đất gây ra việc tăng dòng điện tải tới mức nguy hiểm.
- Mạch khuếch đại vi sai sẽ lọc nhiễu không mong muốn thông qua hệ số từ chối phương thức (CMRR-commen mode rejection ratio) của bộ khuếch đại.
- Một mạng điện trở có thể được sử dụng để giảm điện áp ở cuối đầu vào bộ khuếch đại. Ví dụ nếu Rin = R*, điện áp đầu vào sẽ giảm một nửa và bộ khuếch đại sẽ dịch chuyển ở Vs/2. Chú ý rằng bộ khuếch đại sẽ bằng 1 và có thể cần một bộ khuếch đại thứ 2 để tăng điện áp đầu ra của sensor.
Ø Nhược điểm
- Điện áp Vsense xấp xỉ bằng điện áp nguồn cấp có thể quá dải điện áp đầu vào lớn nhất của bộ khuếch đại thuật toán.
- CMRR của bộ khuếch đại vi phân sẽ bị giảm do điện trở dùng cho bộ khuếch đại không khớp.
- Trở đầu vào mạch vi sai tương đối thấp và bất đối xứng. Trở đầu vào ở đầu vào bộ khuếch đại không đảo bằng Rin + R*, trong khi trở ở phần đảo bằng với Rin.
Mạch trở shunt phía cao yêu cầu bộ khuếch đại điện áp cao để có thể chịu được chế độ điện áp cao. Thêm vào đó, các đặc điểm chủ yếu bộ khuếch đại là CMRR cao và Vos thấp bởi vì độ lớn tương ứng của Vsene nhỏ. Op amp điện áp cao và các IC khuếch đại vi sai tích hợp được dùng cho hệ thống điện áp lớn nhất xấp xỉ 60V. Điện áp yêu cầu nếu vượt quá 60V thì mạch đo dòng điện được sử dụng để nhận biết dòng điện quá tải.
Bảng 4. Op Amps cho trở Shunts phía cao
3.2.4.6 Đo dòng điện phía thấp
Đo dòng điện phía thấp có thuận lợi có thể dùng cho op amp điện áp thấp bởi vì việc đo lấy đất làm quy chiếu. Mạch đo dòng phía thấp có thể sử dụng một bộ khuếch đại không đảo như biểu diễn trong hình 6.
Giám sát dòng điện phía thấp có thể tiến hành với một bộ khuếch đại vi sai. Thuận lợi của khuếch đại vi sai bị hạn chế bởi vì Rsense được nối xuống đất và điện áp chế độ thông thường rất nhỏ. Chú ý rằng IC tích hợp giám sát phía thấp mà kết nối op amp và điện trở không dùng bởi vì mạch này đơn giản nên có thể chỉ cần dùng một vài điện trở và op amp điện áp thấp.
Các đặc điểm giám sát phía thấp là:
Ø Ưu điểm:
- Vsense được tham chiếu với đất (GND). Do đó có thể dùng khuếch đại điện áp thấp.
- Bộ khuếch đại không đảo có thể dùng và trở vào của mạch bằng với trở vào bộ khuếch đại.
Ø Nhược điểm
- Điện trở phía thấp ngắt khỏi đất và điện trở được thêm vào đất tạo ra điện áp offset mà có thể gây ra các vấn đề nhiễu EMI.
- Các giám sát dòng điện phía thấp không có thể dò ra lỗi khi tải nối xuống đất bị lỗi.
Bảng 5 cung cấp một danh sách do Microchip op amp đề xuất có thể sử dụng ở mạch phía thấp. Các đặc điểm op amp chủ yếu cho việc chọn lực bộ khuếch đại phía thấp là đầu vào rail-to-rail và điện áp offset thấp (Vos).
Hình 32. Đo dòng điện phía thấp
Bảng 5. Các loại Op Amps của Microchip cho trở Shunts phía thấp
3.2.4.7 Mạch điều chỉnh OFFSET trở Shunt
Mạch biểu diễn trong hình 33 có thể được dùng để tạo offset bộ khuếch đại của tín hiệu Vsense. Điện trở R1 có thể được dùng để cản trở điện áp offset (điện áp lệch) do điện trở R4 và R5 khi thay đổi giá trị của Vsense. Tín hiệu Vsense chỉ từ 10mV đến 100mV so với đất và offset là cần thiết nếu bộ khuếch đại được nối vào ADC.
Dùng offset cho mạch trở shunt cũng tăng độ tuyến tính của khuếch đại, đặc biệt nếu các op amp
chuẩn được sử dụng. Hình 33. Điều chỉnh offset trở shunt Tính tuyến tính, độ chính xác và công suất tiêu thụ của một op amp giảm khi tín hiệu đầu ra gần với bộ nguồn. Do đó mạch offset được sử dụng để tránh vấn
đề này. Op amp dùng trong mạch trở shunt có điện áp lệch nhỏ (Vos) và một rail-to-rail, đặc tính vào ra.
3.2.4.8 Các kỹ thuật giảm nhiễu
Nối bộ khuếch đại vi sai với một CMRR và các bô lọc RC để làm ảnh hưởng của nhiễu EMI là nhỏ nhất. Ảnh hưởng của EMI lên việc đo làm độ lệch DC lớn ở đầu ra của Op amp. Hình 34 là mạch ví dụ có thể sử dụng trong ứng dụng điều khiển động cơ để giảm nhiễu.
Thêm vào các bộ lọc thông thường được xây dựng bằng các bộ RC như R1C1 và R2C2 được dùng để giảm nhiễu ở đầu vào của bộ khuếch đại. Các bộ RC làm giảm mức điện áp nhiễu với chức năng của bộ lọc thông thấp. Tuy nhiên, một bộ lọc EMI như diode zener TVS vẫn được yêu cầu sử dụng để đảm bảo rằng đầu vào nhiễu được chốt ở mức điện áp an toàn không gây nguy hiểm cho bộ khuếch đại.
Các điện trở, tụ điện thường có thể khớp đủ gần với giá trị yêu cầu từ nhà sản xuất. Với điện trở thì sai số là tầm 1% hoặc nhỏ hơn càng tốt trong khi đó tụ điện cho phép sai số lên tới 5%. Tụ C3 được sử dụng để thêm vào bộ lọc vi sai để bù vào nếu R1C1 và R2C2 không khớp với yêu cầu. Các bộ RC này nếu có sai khác sẽ gây ra sự giảm CMRR của bộ khuếch đại. Bộ lọc vi sai được xây dựng với R1C3 và R2C3 sẽ làm giảm tính hiệu vi sai ở bộ khuếch đại được sinh ra bởi dung sai của bộ các lọc.
Hình 34. Mạch giảm nhiễu dùng RC
Hình 35 biểu diễn một ví dụ mạch khuếch dại dùng trở shunt nối bộ lọc của tín hiệu dòng điện shutn với một offset adjustment. Các bộ RC gồm R1C1, R2C2 và C3 được sử dụng để làm bộ bảo vệ EMI và ESD cho bộ khuếch đại.
Mạng phản hồi RC của R7C5 và R6C4 được lựa chọn để tạo ra bộ lọc thông thấp đáp ứng bộ khuếch đại vi sai.
Hình 35. Mạch giảm nhiễu kết hợp với phân áp