Chương 2 Các phần tử tự động trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện.

2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số- Trong mạch biến tần cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật có tần số tỷ lệ với điện áp điều khiển.. Cụ thể trong điều khiển tần số động cơ không đông

THIẾT BỊ ĐIỀU

KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN

Chương 2 Các phần tử tự động trong hệ điều chỉnh tự động

truyền động điện.

Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

Nội dung chính:

1 Khuếch đại thuật toán

2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

3 Các bộ điều chỉnh

4 Thiết bị đo lường

5 Biến đổi số tương tự (D/A)

6 Biến đổi tương tự số (A/D)

2.1 Khuếch đại thuật toán <KĐTT>

 Là một phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển tương tự

 Nhờ mạch khuếch đại thuật toán ta có thể tạo ra các thuật toán điều khiển khác nhau

 Mạch KĐTT xây dựng từ các mạch tranzistor cơ bản có các đặc tính sau

 Hệ số Khuếch đại điện áp A = ∞

2.1 KĐTT…Tính chất cơ bản của KĐTT thông dụng

1 Khuếch đại điện áp A = 5.10 4

2 Điện trở đầu vào Zv = 1 M Ω

3 Điện trở đầu ra Zr = 100 Ω

4 Độ không đối xứng điện áp đầu vào(offset) 1 mV

5 Độ không đối xứng dòng điện đầu vào(offset) 10 -8 A

6 Điện áp đầu vào tĩnh (Blascurrent) 10 -7 A

7 Độ trôi điện áp và dong điện theo nhiệt độ 10 -6 V/K o ; 10 -10 A/K o

8 Độ nhạy với sự thay đổi điện áp nguồn Power SupplyR-R

PSRR=10 -5 V/1V = 100 (dB)

9 Tốc độ tăng điện áp( SlewRate) SR= max(du0/dt)= 10V/us

10 Các tham số khác: Điện áp nguồn ± 15V; dòng điện 3mV; công

suất 300mW; vùng nhiệt độ -55 o C +125 o C

11 Tần số làm việc cỡ vài KHZ

2.1.1 Hàm truyền của KĐTT

1. Khuếch đại đảo dấu

Phương trình đầu vào:

u

−

=

2.1.1 Hàm truyền của KĐTT

2 Khuếch đại không đảo

3 Khuếch đại vi sai

4 3

z u

z z

z

z U z

z

4 3

4 1

2

1 1 1

2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

 Mạch bảo vệ đầu vào:

 Mạch bảo vệ quá tải nối

2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

 Mạch bù tần số

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

b a

a

R

U R

U R

U R

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.3 Mạch tạo nguồn điện áp mẫu:

Điều chỉnh R1 và R2 ta được giá trị điện

áp mẫu Độ ổn định của điện áp mẫu phụ

thuộc nhiều vào độ chính xác của điot và

2 điện trở R1 và R2.

2.2.4 Mạch lọc tích cực:

Thường dùng trong mạch truyền động

điện là mạch lọc dải thông thấp có hàm truyền

Av0: hệ số Khuếch đại của mạch lọc

Bn(p): đa thức butterworth cấp n

Hvẽ mạch lọc cấp 1 và 2

) 1

(

1

2 2

R

R U

) ( )

(

) ( )

1

2

p B

A p

U

p U p

w w

0

+

=

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.5 Mạch so sánh

Dùng để so sánh 2 tín hiệu điện áp chẳng

hạn trong mạch điều khiển chỉnh lưu

thyristo so sánh tín hiệu điều khiển U1

và tín hiệu đồng bộ Uđb để tính góc điều khiển α

1 max

0

2

max 2

1 max

0

2 1

max 0 0

0

) (

U A

U U

khiU U

U A

U U

khiU U

U U

Sign U

U U

−

=

=

1 2 1

0 2

2 1

2 1

max 0

1 2 1

0 2

2 1

2 1

max 0

0

R R R

U U

R R

R khiU

U

R R R

U U

R R

R khiU

U U

+

+ +

≥

−

+

+ +

≤ +

=

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2 U R

R

1

U =

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.7 Mạch khóa có điều khiển:

Để khắc phục yêu cầu tín hiệu điều khiển phải là tín hiệu logic.

1

2 1 2

R

R U

U đk

>

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.8 Mạch hạn chế:

Thường dùng hạn chế

lượng đặt dòng điện

hoặc momen và hạn

chế tín hiệu điều khiển

Khi U1>0 nếu U1>U + thì D + mở U2 ≈ U +

0 1

2 2

2 max

2

2 1

1 max

U

khiU U

U

n

n

αααα

2.2.9 Khâu tạo gia tốc và giảm tốc

Umax : điện áp bão hòa đầu ra khâu so sánh

U U

Sign U

U

U U

Sign U

U

w w

HC w

w w

HC

w w

) (

.

) (

.

) (

.

* max

*

* max

2

* max

VD Mạch nguyên lý khâu hạn chế gia tốc

- Trong sơ đồ A1 là khâu so sánh, A2 là khâu tích phân,

A3,A4 tạo ra tạo điện áp hạn chế -UHCmax và +UHCmax khâu hạn chế là 2 tranzitor T1, T2 hằng số thời gian tích phân τ = RC

2.2.10 Khâu tạo phát xung chữ nhật

 Thường dùng cho mạch tạo

xung chùm cấp cho khâu

Khuếch đại xung điều khiển

thyristor có biến áp xung

Giá trị điện áp Urmax đc tạo nhờ

2 diot ổn áp Nếu U trên tụ điện

Thì điện áp trên đầu ra sẽ thay đổi cực tính

Tại t = 0 Tại 0< t < T/2

Tại t = T/2 ta có

Thay lên trên ta được chu kỳ

1 2

1

max )

R R

U p

1 max

R R

R U

R U

t

2 1

1 max [ 1 ( ).

1 max

R R

R U

2 ln

2

R

R

R RC

2.2.11 Mạch phát xung chữ nhật và xung tam giác

- Bằng việc nối mạch so sánh nối tiếp với mạch tích phân có phản hồi sẽ tạo ra xung chữ nhật ở đầu ra mạch so sánh, xung tam giác ở đầu ra A2 mạch có đặc tính trễ A1, lật giá trị khi

- Chu kỳ tín hiệu

3

max 1 2

max 2

R

U R

1

4

R

R C

R

2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số

- Trong mạch biến tần cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật có tần số

tỷ lệ với điện áp điều khiển Cụ thể trong điều khiển tần số động cơ không đông bộ, tần số điện áp hoặc dòng điện ra f1 của biến tần

được tính: f1 = fw + f2 trong đó

Fw: tần số quay của trục động cơ

F2: tần số trượt ở mạch roto

Mạch gồm 3 khâu là mạch khóa, mạch tích phân và mạch so sánh

Mạch khóa chuyển mạch tạo điện áp +U1 và –U1 cấp cho khâu tích

phân, điều khiển khóa chuyển mạch là khâu so sánh có đặc tính từ

Khóa + U1

- U1

So sánh

f1

Tích phân

2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số

2.3 Các bộ điều chỉnh

- KN bộ điều chỉnh: là thành phần quan trọng nhất trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện vì nó đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ Hai nhiệm vụ chính của nó là:

1.Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ

2.Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ

2.3.1 Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) dùng KĐTT

Từ hàm truyền của KĐTT

Ta lấy Z1=R1; Z2=R2; ta được hàm truyền của bộ điều chỉnh tỷ lệ là:

+ -

2

z

z u

u

−

=

K R

R U

U p

F R = = − =

2 1

2

) (

2.3.2 Nguyên tắc tạo hàm chức năng điều khiển của bộ điều chỉnh

Sơ đồ xây dựng hàm chức năng các bộ điều chỉnh:

U1dm: giá trị điện áp đo lường định mức

Ta có trong đó dấu * thể hiện tín hiệu

ở đơn vị tương đối

(

) ( [

) (

)

(

1 1

2

p Y

p Y U

p Y

p Y

U

w w

−

=

) (

) (

1

1

1

p Y

U

p Y

U

w dm

wdm

=

] [

) (

)

1

* 1 1

1 2

*

U

U p

2.3.3 Bộ điều chỉnh tích phân (I)

Nếu ta chọn

Thì ta có sơ đồ như hình sau:

Khi đó hàm truyền của bộ

điều chỉnh được tính:

τ1: là hằng số thời gian tích phân

Điện áp đầu ra bộ điều chỉnh:

2 2

2

1 1

R

Y R

+ -

1 1

2

; 1 1

)

P R

U

U

0

1 1

2.3.5 Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)

2 1

1 1

1 )

(

;

1 ) (

;

1

PC R

p

Y R

p

Y R

1 )

(

τ

P

K p

2 1 1

1

2 ; R C R

R

K R = τ =

R

R R

r

P

P K

p F

2 2 1

R R

K R = τR =

2.3.4 Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân đạo hàm (PID)

p

R r

+

=

3 1

3 2

2 1 1

1

2 3

2 3

2

;

;

C R

C R

C R

R

C C

R R

R K

2.3.6 Bộ điều chỉnh thích nghi

- Trong hệ thống tự động điều chỉnh thích nghi các bộ điều chỉnh

phải thay đổi thích ứng với sự thay đổi của tham số của đối tượng điều chỉnh như thay đổi hệ số Khuếch đại, hằng số thời gian và thay đổi cấu trúc(cụ thể trong chương 4).

- Hình vẽ là sơ đồ bộ điều chỉnh thích nghi thay đổi hằng số thời gian

C PR U

K R

R p

đk đk

R

1

1 )

2 1 1

1

=

2.3.7 Bộ điều chỉnh xung

- Trong hệ điều chỉnh xung thông thường người ta dùng bộ điều

chỉnh xung là bộ so sánh tần số có cấu trúc như hình sau

- Cấu trúc bộ điều chỉnh

xung bao gồm bộ đếm

đồng bộ CS, bộ biến

đổi D/A Xung đặt Fw đưa vào CS là tăng dung lượng đếm còn xung

đo lường thực tế FT làm giảm dung lượng đếm, bộ lọc L để chỉnh dạng xung và loại trừ trạng thái không thực khi sai lệch tần số:

∆f = fw – fT nhỏ

Điện áp ở đầu ra của bộ điều chỉnh xung:

Hàm truyền:

Trong đó UR0: giá trị thay đổi đ/áp ra khi thay đổi dung lượng bộ đếm

1 đơn vị f∆: sai lệch tần số fw với fT

t T

f

p

) (

) (

=

∆

2.3.8 Bộ điều chỉnh số

- Có cấu trúc như hình sau:

Bộ điều chỉnh số ngày nay

thường được thực hiện bởi

- Tham khảo bảng 2.1 trình bày cấu trúc bộ điều chỉnh số với hàm chức năng khác nhau

+

2.4 Thiết bị đo lường

- Nhiệm vụ của thiết bị đo lường là phản ánh chính xác trạng thái làm việc của hệ để từ đo điều khiển hệ Do vậy cần tránh các sai số tới mức tối thiểu Các sai số cơ bản gồm:

+ Khi 0 giữ được yêu cầu vầ tỷ lệ gọi là sai số tĩnh

+ Đầu ra thiết bị đo lường có bộ lọc, hàm truyền của nó có thêm khâu quán tính bậc 1 gây ra sai số động

+ Đầu ra thiết bị đo lường có nhiễu xoay chiều

2.4.1 đo lường dòng điện, điện áp 1 chiều có cách ly

- Các bộ đo dòng điện và điện áp 1 chiều ngoài việc đảm bảo độ

chính xác còn phải đảm bảo cách ly giữa các mạch lực và mạch

điều khiển

- Mạch đo bao gồm khâu biến điệu(để truyền tín hiệu từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng phần tử quang điện hoặc biến áp), khâu

chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng biến điệu, chuyển qua

biến thế sau đó chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều

2.4.2 đo dòng xoay chiều 3 pha

- Đo dòng xoay chiều

I I

f p

K p

I

p

U p

(

)

( )

2.4.3 Đo lường tốc độ

Thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động

và tĩnh của hệ truyền động Sau đây là vài cách đo:

1 Máy phát tốc 1 chiều:

Máy phát tốc 1 chiều phải có từ thông không đổi trong toàn dải điều chỉnh tốc độ của động cơ Khi tính toán cần chú ý ảnh hưởng của phụ tải, nhiệt độ cuộn dây và chổi than tới độ chính xác của máy phát tốc.Điện áp đầu ra:

p

U p

(

)

()

(

2.4.3 Đo lường tốc độ

2 Máy phát tốc xoay chiều

Phần roto là nam châm vĩnh cửu, stato là cuộn dây, điện áp ra máy phát tốc là: U0 = K.w cosppwt Máy phát tốc 0 xác định được chiều quay nên phải mắc thêm mạch xác định chiều quay đối với máy

phát 1 pha dùng 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900 còn với máy phát 3 pha phải dùng mạch xác định thứ tự pha để xác định chiều quay

Để lấy tín hiệu ra người ta dùng mạch chỉnh lưu do vậy điện áp đầu

ra còn chứa thành phần xoay chiều Đối với máy phát 1 pha và 3 pha thì tỷ lệ đó là:

2.4.3 Đo lường tốc độ

- Đo tốc độ xung thường dùng 2 loại: loại dùng điện từ và loại bằng bán dẫn quang, để đánh giá chiều quay ta phải đặt 2 đầu đo lệch nhau 900

- Mạch gồm có bộ nhân xung để tăng độ chính xác, mạch biến đổi f/U để tạo tín hiệu Uw trên đầu ra của máy phát tốc xung, mạch

chuyển tín hiệu phát tốc xung ra tín hiệu số

- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc tần số

- Nguyên lý mạch đo theo nguyên tắc chu kỳ

2.4.3 Đo lường vị trí

1 Đo lường vị trí bằng đại lượng tương tự.

- Mạch đo vị trí đơn giản là dùng biến trở điện áp ra U0=Un.α để đảm bảo độ chính xác thì biến trở cần cuốn đều sao cho quan hệ vị trí và điện áp tỷ lệ tuyến tính Hiện ít dùng vì kém tin cậy

- Ngày nay người ta thường dùng bộ đo vị trí Resolver có roto 1 pha

và stato có 2 cuộn dây đặt lệch nhau 900, điện áp cấp cho 2 cuộn

U = +

2.4.3 Đo lường vị trí

Tín hiệu U1s và U2s được được đưa vào mạch phát hiện

FD điện áp đầu ra Up là qua bộ lọc RC ta được điện áp

ra U0 như vậy U0 tuyến tính với α∈ (0, π ).

Mạch tạo ra điện áp sin và cos gồm bộ phát xung nhịp tần

số cỡ vài MHz sau đó qua bộ chia xung D và dịch pha đc

2 tín hiệu lệch nhau 900

2.4.3 Đo lường vị trí

2 Đo lường vị trí số.

Cách đầu tiên người ta hay thực hiện là lấy tín hiệu

từ Ressovel rồi biến đổi thành số như hình vẽ tín hiệu UD cùng với xung nhịp fn qua mạch cổng H rồi đưa vào bộ đếm D và lưu trữ tại bộ nhớ M

mạch điều khiển ĐK điều khiển bộ đếm và bộ

2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A

 Tín hiệu số đưa vào sẽ được đưa đến điều khiển các

khóa điện, khóa chuyển mạch có 2 vị trí nối với điện

áp dương và âm của nguồn, do vậy ta tính được điện áp đầu ra của mạch.

 Hình sau là mạch nguyên lý biến đổi D/A chỉ dùng

điện trở nhị phân

) 2

2

1 0 1

A

A R

R U

U

Am-1 MSB

UR

U0

2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A

2 Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

 Về nguyên tắc tương tự như bộ biến đổi mạng điện trở

nhị phân Điện áp đầu ra được tính là:

 Ngoài ra mạch còn bố trí 1 bít dấu như vậy điện áp ra

của mạch biến đổi có dạng tổng quát như sau:

R m

0 = − − + +

2.5 Bộ biến đổi số - tương tự D/A

2 Mạch biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

2R R

MSB LSB

U R

U 0

2R 2R

3R

R m

m m

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D

1 Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù

 Mạch biến đổi gồm có 2 mạch đếm nhị phân, mạch so

sánh và mạch biến đổi A/D

 Thời điểm t = 0 thì U0 = 0, mạch so sánh thiết lập giá trị

1 tín hiệu nhịp H qua cổng AND được đưa vào mạch

đếm để cho ra tín hiệu số từ Q0 Qm-1 đồng thời qua

bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U0 khi U0≥Uv thì bộ so sánh lật giá trị đầu ra thành 0 cổng AND khóa bộ đếm dừng, Q0 Qm-1 được ghi vào bộ nhớ.

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D

1. Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc bù

 Nếu bộ bếm nhị phân có m mức thì điện áp vào cực đại có số

mức là 2m-1 Điện áp vào Uv- được lượng tử hóa theo gia số điện áp trong đó N là tổng số bước

của bộ đếm Thời gian biến đổi Tv = N/Fn với Fn là tần số xung nhịp

Ux

12

max

−

=

2.6 Bộ biến đổi tương tự - số A/D

2 Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc Servo.

 Bộ biến đổi gồm 3 phần cơ bản là mạch so sánh, mạch đếm 2

chiều, và bộ biến đổi D/A, tín hiệu điện áp vào Uv được so sánh với điện áp ra D/A nếu Uv lớn hơn thì bộ đếm đếm tiếp theo chiều tiến và ngược lại cho tới khi Uv = U0

 tốc độ biến đổi điện áp

vào phải nhỏ hơn tốc

độ của bộ đếm và bộ

biến đổi D/A nên thời

gian biến đổi phụ thuộc

3 Bộ biến đổi A/D song song với mạch so sánh.

 Dựa trên việc so sánh điện áp vào Uv với từng

giá trị URi tương ứng với từng bit đầu ra Nên thời gian biến đổi chỉ bằng thời gian tác động của mạch so sánh và nó cũng là bộ biến đổi

nhanh nhất

 Loại này có thời gian biến đổi lớn thường dùng

cho mạch biến đổi chậm như đo nhiệt độ

5 Bộ biến đổi A/D theo biến tần số.

 Phần cơ bản của bộ biến đổi là mạch biến đổi U/f(VCO), mạch

đếm và mạch ghi Tần số ra của mạch biến đổi U/f là

 f = K.Uv xung đầu ra được đưa vào bộ đếm trong thời gian điều

khiển Tn dung lượng của nó là N = f.Tn = K.Tn.Uv

 ưu điểm của bộ biến đổi loại này là đơn giản nhưng nhược điểm

là kém chính xác

Điều khiển

1/Tm

Nội dung chính:

1 Khuếch đại thuật toán

2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

3 Các bộ điều chỉnh

4 Thiết bị đo lường

5 Biến đổi số tương tự (D/A)

6 Biến đổi tương tự số (A/D)