Ghép nối điều khiển động cơ một chiều bằng máy tính

Để đo lường và điều khiển hệ thống thì ngoài các thiết bị ghép nối với máy tính, còn có một chương trình nạp vào máy tính để xử lý và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.. Các hệ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Tự động hóa là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại Nói đến tự động hóa thì máy tính là một công cụ hổ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu được trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong đo lường và điều khiển

Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại nhiều kết quả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn Nhưng điều đáng quan tâm nhất là mức độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý kết quả đo, kể cả việc lập bảng thống kê, đồ họa, cũng như in ra kết quả Để đo lường và điều khiển hệ thống thì ngoài các thiết bị ghép nối với máy tính, còn có một chương trình nạp vào máy tính để xử lý và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống

Việc ứng dụng máy tính vào trong các hệ thống truyền động điều khiển vị trí ngày càng phổ biến Ví dụ như trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dáng, kích thước được vẽ trước trên máy tính, trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ bám, tùy động, …

Với máy tính, người điều khiển có thể quan sát quá trình hoạt động của hệ thống, kiểm soát và can thiệp khi có sự cố Đồng thời ta cũng có thể truyền số liệu sang các máy tính khác trong mạng để cùng xử lý Các hệ thống truyền động điều khiển vị trí có sử dụng máy tính có nhiều tính năng ưu việt hơn: người ta có thể thay đổi các thông số kỹ thuật một cách dễ dàng, ví dụ như thay đổi góc quay anten, thay đổi số vòng quay của motor để dừng ở vị trí mong muốn

YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

1 Tìm hiểu động cơ một chiều (DC) và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC

2 Tìm hiểu hệ thống truyền động điều khiển vị trí động cơ DC

3 Tìm hiểu các loại cảm biến vị trí

4 Dùng Simulink của phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống điều khiển

7 Tìm hàm truyền động cơ và các thông số cần cho việc điều khiển vị trí

8 Chương trình điều khiển và kết quả thi công với yêu cầu vị trí đặt gồm nhiều vị trí điều khiển theo hàm nấc hoặc là hàm tam giác(dốc) ,hàm parapol với hệ số góc, tọa độ đỉnh và chu kỳ điều khiển thay đổi được

MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

VỊ TRÍ BẰNG MÁY TÍNH

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I MỤC ĐÍCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 6

II SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC BẰNG MÁY TÍNH 7

III SƠ ĐỒ KHỐI CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC 8

CHƯƠNG II: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ I ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁC ĐỘNG NHANH 11

1 Nguyên tắc xây dựng 11

2 Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính 14

3 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17

II THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 19

1 Điều khiển liên tục 19

2 Dạng rời rạc của bộ hiệu chỉnh PID 21

a Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 22

b Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 22

c Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 26

III PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CỰC 33

CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ I GIỚI THIỆU CHUNG 35

II ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ 36

1 Cảm biến vị trí dùng Chiết áp 37

2 Cảm biến vị trí dùng Biến áp vi sai LVDT 39

3 Cảm biến vị trí sử dụng Selsyn 40

4 Bộ giải góc (resolvers) 43

5 Các loại cảm biến vị trí có ngõ ra là số để giao tiếp trực tiếp với máy tính 44

a Bộ chuyển đổi số 44

a.1/ Bộ mã hóa số trực tiếp 44

a.2/ Bộ mã hóa xung, tần số và thời gian 45

a.3/ Bộ mã hóa tương tự sang số (bộ chuyển đổi A/D) 45

a.4/ Bộ chuyển đổi A/D 46

b Encoder số 46

b.1/ Encoder tiếp xúc 46

b.2/ Encoder từ trường 46

b.3/ Encoder quang 46

b.4/ Ưu điểm của Encoder số 49

CHƯƠNG IV: ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ I ĐẶC TÍNH CƠ TĨNH CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 50

II SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC 54

1 Điều khiển điện áp phần ứng 54

2 Điều khiển từ thông 55

3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 56

4 Điều khiển điện trở phần ứng 57

III KHỞI ĐỘNG 57

IV CÁC TRẠNG THÁI HÃM 58

1 Hãm tái sinh 58

2 Hãm động năng 59

3 Hãm ngược 62

V HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CÓ HÃM 63

CHƯƠNG V: CARD MỞ RỘNG GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH I GIỚI THIỆU CHUNG 64

II SỰ SẮP XẾP CHÂN TRÊN RÃNH CẮM 64

III SỰ GIÃI MÃ ĐỊA CHỈ CỦA MÁY TÍNH PC/AT 69

IV SƠ ĐỒ KHỐI CỦA CARD MỞ RỘNG 70

V THIẾT KẾ CARD MỞ RỘNG GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH 80

PHẦN II : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG I GHÉP NỐI GIỮA ĐỘNG CƠ VÀ CẢM BIẾN 86

1 Mô hình 86

2 Cảm biến vị trí ghép nối với động cơ DC 86

II SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 88

III MẠCH ĐỘNG LỰC 88

IV XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN ĐỘNG CƠ 96

V CÁC LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 98

1 Lưu đồ giải thuật bộ hiệu chỉnh PID rời rạc 98

2 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển vị trí

với vị trí đặt là một vị trí hàm nấc 99

3 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển vị trí với vị trí đặt là nhiều vị trí hàm nấc 100

4 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển vị trí với vị trí đặt là hàm dốc 101

5 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển vị trí với vị trí đặt là xung tam giác 104

6 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển vị trí với vị trí đặt là hàm parabol 106

PHẦN III : KẾT QUẢ THI CÔNG I PHÂN TÍCH SAI SỐ XÁC LẬP 108

II DÙNG SIMULINK CỦA MATLAB CHẠY MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC 111

1 Trường hợp đầu vào của hệ thống là hàm nấc 111

a/ Hiệu chỉnh PID khâu tích phân I có khâu bảo hòa (aniwindup) 111

b/ Hiệu chỉnh PID khâu tích phân I không có khâu bảo hòa (không sử dụng aniwindup) 115

c/ Khi hệ thống sử dụng khâu chết 117

2 Trường hợp đầu vào của hệ thống là hàm dốc 118

a/ Hiệu chỉnh PID khâu tích phân I có khâu bảo hòa (aniwindup) 118

b/ Hiệu chỉnh PID khâu tích phân I không có khâu bảo hòa (không sử dụng aniwindup) 120

c/ Khi hệ thống sử dụng khâu chết 121

3 Trường hợp đầu vào của hệ thống là hàm parabol 121

4 Nhận xét chung 124

II CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 125

1 Vị trí đặt là nhiều vị trí hàm nấc 125

2 Vị trí đặt là hàm dốc 126

3 Vị trí đặt là hàm parabol 126

4 Giao diện của menu ‘Nhập thông số’ 127

5 Kết quả thi công 128

a/ Vị trí đặt là hàm nấc 128

b/ Vị trí đặt là hàm dốc 131

c/ Vị trí đặt là hàm parabol 137

6 Kết luận 144

PHẦN IV : PHỤ LỤC

A CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VIẾT BẰNG PHẦN MỀM DELPHI

B TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

BẰNG MÁY TÍNH

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN

I.MỤC ĐÍCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ :

Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Khi yêu cầu một đối tượng từ vị trí này đến

vị trí khác với thời gian ngắn nhất, hoặc với một tốc độ điều khiển được, khi muốn một đối tượng này bám theo một đối tượng khác đang chuyển động theo một quy luật nhất định, … khi đó ta cần phải điều khiển vị trí

Trong công nghiệp điều khiển vị trí được sử dụng rộng rãi như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, quay anten tự động, quay kính viễn vọng, cơ cấu ăn dao cắt gọt kim loại, giấy, vải, …, máy CNC

Việc ứng dụng máy tính vào trong hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí ngày càng phổ biến hơn do một số tính năng ưu việt của nó Đặc biệt là trong dây chuyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dáng kích thước đươc thiết kế trước trên máy tính

Trong đề tài luận văn này, chủ yếu là nghiên cứu các phương pháp điều khiển vị trí động cơ DC Nó có tính chất như một bài thí nghiệm, từ đó ta đánh giá chính xác hơn về hệ thống điều khiển vị trí khi vị trí đặt là nhiều hàm nấc đặt cùng một lúc và cho hệ thống điều khiển đến khi hoàn tất tất cả các vị trí đặt Hệ thống còn có khả năng vẽ đáp ứng vị trí, tốc độ động cơ, điện áp điều khiển, chiều quay, lưu trữ sai số từng vị trí, giám sát trạng thái, điều khiển tốc độ động cơ, … Không dừng lại ở đó, đề tài còn nghiên cứu việc điều khiển khi vị trí đặt là hàm tam giác, hàm parabol với độ dốc, biên độ, số chu kỳ thay đổi được

Matlab là một ngôn ngữ rất mạnh trong tính toán và mô phỏng hệ thống điều khiển tự động Để có thể nhận xét sự tương quan giữa lý thuyết và thực nghiệm, ta ứng dụng Simulink của Matlab để chạy mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí trên

II.SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ

MẠCH KHUẾT ĐẠI CÔNGSUẤT

ĐỘNG CƠ DC

CẢM BIẾN

VỊ TRÍHình 1.1:Sơ đồ khối tổng quát

Ta có sơ đồ khối điều khiển vị trí động cơ như sau :

Trong đó : ϕđ, ϕ :là vị trí đặt và vị trí hiện tại của động cơ

ω, I : là tốc độ và dòng điện động cơ

Cϕ, Cω, CI: các hệ số bộ biến đổi

Kϕ, Kω, KI: là các hệ số vòng hồi tiếp vị trí, vận tốc, dòng điện

BR

T 2 m m

+

τ

BRC

III.KHỐI CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC:

Bộ công suất điều khiển tốc độ động cơ DC gồm có:

- Hệ máy phát – động cơ DC

- Hệ chỉnh lưu – động cơ DC

- Hệ bộ biến đổi xung áp(chopper) – động cơ DC

- Hệ khuyết đại công suất cầu – động cơ DC

Hệ bộ chopper – động cơ DC được ứng dụng trong phần thiết kế và thi công mạch thực tế, có sơ đồ khối như sau:

ϕđ Cϕ ωđ Cω Iđ CI KC

Ea

m m 1

sT1

)s1(K+

Kτ+

Trong hình trên các khóa 1, 2, 3, 4 là các khóa bán dẫn, tùy theo công suất của động cơ mà các khóa này có thể là Transistor, SCR và mạch tắt, GTO, MOSFET, Transistor công suất, …

Chức năng của các khối:

- Khối mạch tạo xung tam giác: Mục đích tạo xung tam giác có tần số cao vài trăm Hz để thay đổi tần số đóng ngắt các khóa bán dẫn Sở dĩ ta cần xung tam giác này vì ta muốn tạo ra dãy xung điều rộng để thay đổi tốc độ động cơ DC

- Khối mạch so sánh tín hiệu điều rộng xung: So sánh xung tam giác tạo ra ở trên với điện áp Uđk xuất ra từ ngõ D/A của Card mở rộng để tạo ra dãy xung điều rộng

- Khối tín hiệu cho phép các khóa bán dẫn xuất ra từ máy tính: Khi tín hiệu này tích cực, cho phép các khóa bán dẫn hoạt động bình thường Khi tín hiệu này không tích cực, các khóa bán dẫn điềutắt

- Khối mạch điều khiển các khóa bán dẫn: Tùy theo giá trị của Uđk mà mạch này làm cho động cơ quay thuận hay nghịch, nhanh hay chậm, hoặc dừng

- Khối cách ly(OPTO): Dùng để cách ly mạch công suất với máy tính về điện, đồng thời kích dẫn các khóa bán dẫn

CHƯƠNG II MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

I.ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁC ĐỘNG NHANH:

1/ Nguyên tắc xây dựng :

+ Trong hệ điều khiển vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đặt ϕđ) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ Thông thường lượng điều khiển ϕđ là một hàm của thời gian, có thể là hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hòa

+ Tùy thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch hoặc hệ thống điều khiển vị trí theo chế độ bám(hệ tùy động)

+ Trong hệ truyền động điều khiển vị trí chuyển dịch trong các chỉ tiêu chất lượng chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác động nhanh của hệ Điều này có liên quan tới giản đồ tối ưu về tốc độ ω(t), gia tốc ε(t) và vị trí ϕ(t) Để xây dựng hệ điều khiển người ta dựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện trên nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động

Nếu lượng điều khiển ϕđ(t) là hàm nhảy cấp ta có giản đồ tốc độ ω(t), gia tốc ε(t), vị trí ϕ(t) và quỹ đạo pha tối ưu trên hình (2.2)

Trên giản đồ ω(t), ε(t) và ϕ(t) ta có :

)2.2(4

T2

tT2

1)t(

)tT()t(:thìTt2

TNếu

)1.2(t

2

1)t(

t)t(:thì2

Tt0Nếu

2 2 max max

2 max max

=ϕ

−ε

=ω

ε

=ω

(2.3)

2

TtVới,2

T

2T

m k max

max max k

ϕ

=ε

=ωε

ϕ

=

Trong đó với thời điểm hãm t=T/2 thì ω = ωmax, ϕk là độ dài dịch chuyển Đối với quỹ đạo pha chuyển động: đường nét đậm là quỹ đạo chuyển (đường hãm), đường 1 và đường 2 ứng với độ dài dịch chuyển nhỏ với sai lệch vị trí ∆ϕ1(0),

∆ϕ3(0), đường 3 ứng với độ dài dịch chuyển lớn cần thời gian chạy ổn định với ω=ωmax, các điểm K1, K2, K3 là điểm truyền động bắt đầu hãm

Trên hình (2.3) và (2.4) ứng với lượng điều khiển ϕđ(t) là hàm dốc và hàm parapol Trên hình (2.5) là cấu trúc điều khiển biến trạng thái của hệ truyền động điều khiển vị trí, trong đó các tọa độ trạng thái X1 = ϕ, X2 =ω, X3 =ε

Hình a: Vị trí đặt ϕđ(t)

2/ Hệ điều khiển vị trí tuyến tính :

Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính mà ta nghiên cứu ở đây có bộ điều chỉnh vị trí Rϕ

là tuyến tính: giả sử các mạch vòng trong đã được tổng hợp theo phương pháp môđun tối ưu dạng chuẩn, hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ là :

)4.2(s

2s21

K)

s(

ω ω

ω ω

τ+τ+

=

t0

Hàm truyền của vị trí là khâu tích phân: (2.5)

s

1)s(

Fs

ϕ

τ

=ϕ

Tiến trình tổng hợp tham số bộ điều chỉnh vị trí Rϕ cũng tương tự như các mạch vòng khác Tất nhiên ở đây với cấu trúc trên hình (2.6) thì hàm truyền bộ điều chỉnh vị trí sẽ không có thành phần tích phân tức là chỉ có P hoặc PD

Bộ điều chỉnh vị trí ở đây được tính chọn theo điều kiện với gia tốc hãm cực đại εhmax đối với quãng đường cực đại ∆ϕhmax sao cho thời gian hãm không vượt quá thời gian tmax Tại thời điểm hãm, tương ứng với điều kiện là tín hiệu sai lệch tốc độ

∆ω ở đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ bằng không

Ta có biểu thức gần đúng là: ϕh.FRϕ =ωh (2.6)

Ở đây ∆ωh, ϕh là tín hiệu về quãng đường và tốc độ tại điểm bắt đầu hãm Vì vậy quãng đường hãm cực đại sẽ được tính theo (2.2)

)7.2(

C2

1

max h

2 max max

εmax : gia tốc hàm cực đại

Cϕ : hệ số đo lường vị trí

Giải kết hợp (2.7) và (2.6) ta có : K (2.8)

ϕ

Ở đây εhmax = εmax

2 2s2s21

K

ω ω

Từ (2.8) ta thấy bộ điều chỉnh vị trí được tính theo quan hệ phi tuyến tính giữa tốc độ và vị trí đặt parapol Nhưng khi thực hiện nó lại tuyến tính và không đổi Do điều này dẫn đến kéo dài quá trình với quãng đường khác nhau Thí dụ khi cần dịch chuyển một lượng ∆ϕ2<∆ϕ ta cần KRϕ2> KRϕ nhưng vì KRϕ là không đổi nên tốc độä hãm sẽ nhỏ hơn dẫn đến kéo dài thời gian hãm một lượng ∆t = t1 – t2 Điều này được minh họa trên hình (2.8)

Điều chỉnh vị trí tuyến tính thường hay dùng trong truyền động máy nâng, thang máy, các máy khai thác mỏ

3/ Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian :

Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian với thiết bị tương tự (analog)

Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cao cấp

Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp môđun tối ưu hoặc môđun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân Như vậy quỹ đạo pha của nó là parapol và cấu trúc của hệ được trình bày trên hình (2.9)

Hình 2.8 0

ω ω

Phương trình đối với tốc độ và vị trí là :

)9.2(t

C21

tC

0 2 max

=ϕ

ε

=ω

Với ϕ0 là vị trí ban đầu Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2.9):

)10.2()

(sign

|

|J

Hình 2.10 : Quỹ đạo pha của điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian

∆ϕ

ω A

ωmax

ωmax- 0

B

C

Trên hình (2.11a) ứng với ω< ωmax hình (2.11b) ứng với ω=ωmax (ωmax bị hạn chế)

II THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID :

Bộ hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ ) rất hay dùng trong các hệ thống điều khiển Vì nó tăng chất lượng đáp ứng của hệ thống với các ưu điểm sau: PID là sự kết hợp ưu điểm của 2 khâu PD và PI, nó làm giảm thời gian xác lập, tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, giảm sai số xác lập, giảm độ vọt lố, …

1/ Điều khiển PID liên tục :

Điều khiển PID là cấu trúc điểu khiển thông dụng nhất trong các quy trình điều khiển Đầu ra của điều khiển là tổng của ba thành phần Thành phần thứ nhất

uP(t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trị tham chiếu(giá trị đặt) Thành phần thứ hai uI(t) là tích phân theo thời gian của sai số và thành phần thứ ba

uD(t) là đạo hàm của sai số theo thời gian

Hàm điều khiển :

)14.2()t(u)t(u)t(uud)(deTd)(eT

1)t(eKu

Trong số K là độ lợi, Ti là hệ số của khâu tích phân sai số, Td là hệ số của khâu đạo hàm và τ là biến tích phân Giá trị u0 là giá trị xác định trị trung bình biên độ tín hiệu xác thực

Một vài quy trình điều khiển, đặc biệt là các quy trình cũ, có khoảng tỉ lệ (proportional band) được đặt thay vì là độ lợi điều khiển Proportional band PB

Hình 2.11 : diễn biến theo thời gian của các đại lượng ω, ϕ, ε trong hệ điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

ε

ω ϕ

ε

(theo phần trăm) được xác định là PB = 100/K Định nghĩa này chỉ áp dụng khi K là không thứ nguyên

Công thức của hàm điều khiển không chỉ ra giới hạn thực tế ở đầu ra Điều khiển sẽ đạt trạng thái bão hòa khi ngõ ra đạt tới giới hạn vật lý umax hoặc umin Trong thực tế, ngõ ra của điều khiển tỷ lệ như sau :

Phần tích phân của hàm điều khiển được dùng để khử sai số của trạng thái ổn định Chức năng của nó có thể được giải thích bằng trực giác như sau : Giả sử hệ thống ở trạng thái ổn định vì vậy tất cả các tín hiệu đều là hằng số, đặc biệt là e(t) Trạng thái ổn định chỉ được duy trì nếu phần tích phân uI(t) là hằng số, mặt khác u(t) có thể thay đổi Điều này chỉ xảy ra nếu e(t) bằng không

Hàm điều khiển cũng có thể được biểu điễn theo phép biến đổi Laplace như sau :

)15.2(sT)s(E)sTTsT1(K)s(E]sTsT

11[K

)S(U)s(U)s(U)s(U)s(U

i

D I P 0

++

=+

+

=

=+

+

=δ

sT1

sTsT

11K)s(U)s(U)s(U

=++

K

Hình 2.12 : Điều khiển tỉ lệ

Trong đó :Tf = Td/N với N khoảng từ 5 đến 10 Độ lợi phần đạo hàm của hàm điều khiển có giới hạn là KN ở tần số cao Hàm PID từ công thức (2.16) được viết lại như sau:

TIs(1 + Tfs)δU(s) = K[ TIs(1 + Tfs) + 1 + Tfs + TiTfs2)] E(s) (2.17)

Đây là trường hợp đặc biệt của điều khiển thông thường Chia 2 vế của (2.17) cho TiTf , và đặt :

)18.2(TT

KsT

1T

1KsT

T1K)s(T)s(S

T

ss)s(R

i f i f

2 f d f 2







+

Bị giới hạn bởi số các thông số, điều khiển PID không thể tùy tiện tác động mọi tiến trình với yêu cầu chất lượng của hệ thống sau điều khiển như mong muốn

2/ Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID :

Bộ điều khiển trong hệ thống số cần được rời rạc ở một vài mức ,để nhập vào máy tính Bộ điều khiển liên tục sẽ được rời rạc ở dạng số thích hợp với máy tính Trong việc thiết kế bộ điều khiển liên tục, thì chính nó cũng được rời rạc Cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong, thời gian vi phân có thể được xấp xĩ bởi một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng

Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm Sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu: e(kh) = uc(kh) – y(kh) (2.21)

Chu kỳ lấy mẫu h được xem như một hằng số và những sự biến đổi tín hiệu trong suốt khỏang lấy mẫu thì không quan tâm

a/ Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển :

Một chu kỳ lấy mẫu quá dài có thể ảnh hưởng đến việc điều khiển hồi tiếp như là bị nhiễu Một trường hợp đặc biệt là nếu chu kỳ lấy mẫu lâu hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu có thể ảnh hưởng đếán quá trình xử lí và sẽ mất trước khi bộ điều khiển có thể nhận được một họat động chính xác Vì vậy một điều rất quan trọng là quan tâm đến động học và đặc tính nhiễu của quá trình trong việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu Tỉ sốâ tín hiệu trên nhiễu cũng ảnh huởng đến sự lựa chọn chu kỳ lấy mẫu

Trong việc xử lý tín hiệu mục đích là lấy mẫu tín hiệu với máy tính và phục hồi nó từ dạng thời gian rời rạc Lý thuyết lấy mẫu không có xem thời gian tính toán là mối quan tâm để mà cấu trúc lại thời gian, tín hiệu được lấy mẫu có thể mất thời gian khá lâu Nói thêm nữa là ta giả sử tín hiệu được chu kỳ hóa Trong những ứng dụng điều khiển các tín hiệu thường không có theo chu kỳ và thời gian tính toán cho việc cấu trúc lại tín hiệu bị giới hạn

b/ Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân :

Khâu vi phân điều khiển cơ cấu chấp hành và làm cho nó bảo hòa có thể gây

ra một số ảnh hưởng không mong muốn Nếu sai số điều khiển lớn khâu vi phân làm cho cơ cấu chấp hành hoạt động trong vùng bảo hòa, vòng hồi tiếp sẽ bị gãy, bởi vì cơ cấu chấp hành vẫn bảo hòa thậm chí nếu ngõ ra hệ thống thay đổi Khâu

vi phân, trở thành một hệ thống không ổn định, có thể sau đó khâu vi phân đạt đến một giá trị rất lớn Khi sai số cuối cùng giảm xuống, khâu vi phân có thể vẫn lớn để nó cần có khoảng thời gian cần thiết cho tới khi khâu vi phân trở lại giá trị bình thường Sự ảnh hưỡng này gọi là windup khâu vi phân Hình 2.13 miêu tả sự ảnh hưỡng

Có nhiều cách để tránh windup khâu vi phân Một cách có hiệu quả nhất là dừng cập nhật khâu vi phân khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa Một phương pháp khác được biểu diễn ở sơ đồ khối hình 2.14(a) Ở đây, một đường hồi tiếp được thêm vào để cung cấp giá trị đo được ở ngõ ra của cơ cấu chấp hành, tín hiệu sai số

es là sự khác nhau giữa ngõ ra cơ cấu chấp hành(uc) và ngõ ra bộ điều khiển (v) được dẫn về ngõ vào bộ tích phân qua khâu độ lợi 1/Tt Tín hiệu sai số es bằng không khi cơ cấu chấp hành không bị bảo hòa Khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa đường hồi tiếp thêm vào sẽ cố gắn làm cho es bằng không Điều này có nghĩa là khâu vi phân sẽ được reset để ngõ ra của bộ điều khiển ở tại giá trị giới hạn bảo hòa Khâu vi phân được reset đến một giá trị tỷ lệ với hằng số thời gian Tt, được gọi là hằng số thời gian theo dỏi(tracking-time) Một sự thuận lợi với phương pháp antiwindup này là nó có thể áp dụng cho nhiều cơ cấu chấp hành, không chỉ cơ cấu chấp hành bảo hòa mà còn các bộ kích có đặc tính tùy ý, như vùng chết hay hiện tượng trễ, theo ngõ ra của bộ kích được đo lường Nếu ngõ ra của cơ cấu chấp hành không được đo lường, cơ cấu chấp hành có thể được thiết kế theo kiểu mẫu và tín hiệu tương đương có thể phát ra từ kiểu mẫu này, như biểu diễn ở hình 2.14b

Cơ cấu chấp hành

Một ví dụ minh họa vấn đề này, ta sẽ quan tâm đến một hệ thống điều khiển

vị trí Ở đây motor đuợc điều khiển bởi bộ điều khiển pi Vị trí đặt được thay đổi nhiều đến mức tín hiệu điều khiển (điện áp vào của motor) bị bảo hòa và giới hạn (chẳng hạn như việc tăng tốc của motor có giới hạn ) Đáp ứng bậc thang của vị trí góc quay được cho trên hình 2.13(a)

+ + +

y(t) (a): Bộ hiệu chỉnh PID không dùng antiwindup

Kiểu mẫu

Cơ cấu chấp hành

Hình 2.14: Bộ điều khiển với antiwindup Hệ thống này, ngõ ra của

cơ cấu chấp hành được đo lường thể hiện hình (a), ngõ ra của cơ cấu chấp hành được giới hạn bằng hàm toán học thể hiện ở hình (b)

Phần tích phân của bộ điều khiển PI tỉ lệ với vùng giữa đáp ứng bậc thang y và trị đặt uC Những vùng cho thuộc tính âm dương đối với tích phân thì phụ thuộc vào đối tượng đo lường là điểm đặt ở dưới hay ở trên Lúc nào mà sai số uc(t)-y (t) còn duơng thì bộ tích phân vẫn tăng lên Tương tự khi không có sự giới hạn của tín hiệu điều khiển thì không có windup Khi tín hiệu điều khiển đã được giới hạn thì đáp ứng sẽ chậm hơn và sự tích phân sẽ gia tăng đến khi sai số đổi dấu ở thời điểm t=t1 Thậm chí khi sai số đổi dấu tín hiệu điều khiển vẫn còn lớn và duơng sẽ dẫn đến độ vọt lố cao của y(t) Một cách để giới hạn hoạt động của bộ tích phân là tích phân có điều kiện Cách cơ bản đó là vùng tích phân không cần thiết khi mà sai số còn lớn khi đó vùng tỉ lệ sẽ họat động đến khi sai số là nhỏ Trong điều kiện như vậy, tích phân sẽ làm giảm sai số xác lập Trong phần tích phân có điều kiện vùng tích phân sẽ chỉ được thực hiện nếu sai số là nhỏ hơn một giá trị xác định Khi sai số lớn bộ PI họat động giống như bộ điều khiển P Tích phân có điều kiện của bộ điều khiển analog có thể thực hiện bằng 1 diod zener được nối song song với tụ trong vòng hồi tiếp của bộ khếch đại thuật toán Điều này sẽ giới hạn thuộc tính của tín hiệu tích phân Trong bộ điều khiển số PID có một cách tốt hơn đễ tránh windup

Vùng tích phân đã được tích hợp ở mỗi khoãng lấy mẫu để mà ngõ ra bộ điều khiển sẽ không lọai trừ giới hạn của nó Một bộ điều khiển pi với đặc điểm anti-windup có thể được miêu tả qua đọan mã pascal sau :

+ + +

y(t)

Khâu bảo hòa

(a): Bộ hiệu chỉnh PID có dùng antiwindup

Hình 2.13: Mô phỏng antiwindup PID bằng sơ đồ khối

Nếu tín hiệu điều khiển v đã đuợc giới hạn thì vùng tích phân sẽ không được

thay đổi Để nhập được một dạng anti-windup cho bộ điều khiển theo phương pháp

pid thì phải điều chỉnh lại một chút Phần tích phân được cập nhật với tín hiệu es=

u-v diễn tả sự khác nhau giữa ngõ ra u của cơ cấu chấp hành thực u-và ngõ ra u-v của

bộ điều khiển mong muốn Ngõ ra của cơ cấu chấp hành cũng có thể đuợc đo lường

hoặc tính toán như nhau Chú ý rằng es=0 nếu cơ cấu chấp hành tạo ra một tín hiệu

điều khiển mong muốn để không có bảo hòa Tín hiệu es được nhân với hệ số 1/Tt,

trong đó Tt là hằng số thời gian (đuợc gọi là hằng số thời gian tracking) để reset bộ

tích phân Trong thuật giải PID được trình bày trên hằng số thời gian là h, chẳng

hạn là việc cập nhật tức thời trong vùng lấy mẫu kế tiếp Khi mà bộ vi phân được

sử dụng thì nên cập nhật bộ tích phân chậm hơn Thực tế giá trị Tt có thể bằng với

Ti Ngõ ra bộ điều khiển PI mong muốn là :

−τ+

ττ+

=+

KT

1d)(eT

1)t(eK)t(u)t(

i

Trong đó : v = umin nếu u ≤ umin

v = u nếu umin ≤ u ≤ umax

v= umax nếu u ≥ umax

Nếu tín hiệu điều khiển bị bảo hòa thì sai lệch es=u - v sẽ làm cho bộ tích

phân thay đổi cho đến khi nó không còn bão hòa nữa Trình tự windup sẽ tránh

được Bằng cách lấy đạo hàm của khâu tích phân ta được :

[u(t) v(t)]

T

1)t(eT

K

dt

du

t i

T

h)kh(eT

Kh)kh(u)hkh(u

t i

I

Và bộ điều khiển PI là : v(kh) = Ke(kh) + uI(kh)

c\.Chức năng cụ thể của các thành phần trongPID :

+ Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) :

Được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi

theo hàm nấc sẽ gây vọt lố cao do đó vị trí sẽ không đúng theo yêu cầu

Comment [LOVE1]:

Đây là bộ điều khiển mà biến đặt tỉ lệ với độ lệch từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi vị trí đặt

Khi vị trí hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là 100% Khi vị trí bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần tỉ lệ với độ lệch và giảm 50% Khi vị trí hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch Khi đó khâu P cho phép điều khiển vị trí phẳng với nhấp nhô nhỏ hơn điều khiển ON-OFF ( điều khiển đóng ngắt )

Điều khiển tỉ lệ chia thời gian: (time division proportional control action)

Thiết bị ngõ ra dạng xung ở trạng thái ON-OFF có thể dùng thiết bị ngõ

ra của bộ điều khiển vị trí Những ngõ ra này gồm: relay output, SSR (Solid State relay) output, và voltage output Nếu như thiết bị ra này dùng để lặp trạng thái ON-OFF trong dãi tỉ lệ ở chu kì như hình 2.15 thì thời gian Ton ở ngõ ra tỉ lệ với độ lệch

Tỉ số từ lúc on tới lúc off là 1:1 và biến là 50% khi chu kỳ relay ngõ ra từ lúc on tới lúc off với vị trí điều khiển bằng điểm đặt Một chu kỳ từ on tới off của thiết bị ngõ ra được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỉ lệ được gọi là “hoạt động điều khiển chia tỉ lệ thời gian “

+ Khâu điều khiển vi phân D : (hoạt động đạo hàm)

Được đòi hỏi phải bù, được thực hiện đúng với biến đặt tỉ lệ, mức nghiêng của độ lệch được chỉ ra ở hình 2.16 dưới đây :

Tỉ số thời gian : (rate time)

Tỉ số thời gian là số biểu diễn độ dài của của quá trình hoạt động Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt của tỉ số hoạt động đạt được giống như biến đặt trong hoạt động hiệu chỉnh khi xảy ra thay đổi độ dốc trong độ lệch như hình 2.17 Tuỳ theo tỉ số thời gian dài hơn, vi phân linh hoạt hơn

ON OFF

Hiệu ứng vi phân:( Differetial Effect )

Trường hợp độ lệch xảy ra đột ngột trong bộ chia tỉ lệ được trình bày trong hình 2.17 Trước tiên ON hoặc OFF thời gian của output relay được kéo dài bằng việc chỉnh đến điểm đặt sớm hơn Vì hiệu ứng của điều khiển này tương tự như tỉ số hoạt động ,được xem như là “hiệu ứng vi phân “

+ Khâu tích phân I :

Điều khiển hoạt động I:

Độ lệch tăng bởi sự tương quan giữa vị trí đặt của hệ điều khiển và vị trí hiện tại, và giữ sau khi hệ thống điều khiển đạt trạng thái bền Sự lệch này gọi là sai số Nếu như sai số xảy ra trong bộ điều khiển mà chỉ thực hiện điều khiển tỉ lệ, thì nó sẽ thiếu chính xác Giảm và loại sai số để vị trí điều khiển hợp với điểm đặt Khâu

P thường được dùng để kết hợp với bộ điều khiển tích phân I

Thời gian reset :

Thời gian reset là diễn tả quá trình của hoạt động Reset Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt bộ điều khiển tích phân bằng với biến đặt bộ điều khiển tỉ lệ khi độ lệch lấy thay đổi từng bước(hình2.19) Do đó Thời gian reset time ngắn, ảnh hưởng

Bước đáp ứng Độ lệch 0

Biến đặt 0

Hình 2.18 : Hoạt động Reset

PD Độ lệch 0

rất nhiều đến hoạt động Reset Tuy nhiên Thời gian reset quá ngắn mà thực hiện quá nhanh có thể gây ra hunting

+ Khâu tích phân tỉ lệ (PI) :

Khiến hệ trở thành vô sai Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuếch đại Song đối với hệ thống thực bị hạn chế thì sự có mặt của khâu PI là bắt buộc

= ∫e(t)dt T dedtt()

T

1)t(eK)t(

=

sT

11K)s(E

)s(U)s(

KK)s(E)s(U)s(

j 1 k

i

2

TKdt)t(e

PI

P Độ lệch 0

Hình2.20: Tích phân hình thang

Còn phần đạo hàm thì : {e(kT) e[(k 1)]T}

T

Kdt)t(

+

−+

=

j 0 k

d i

T

K)kT(e]T)1k[(

e2

TK)kT(e

K)1k(eTK22TKK)k(eT

K2

T

K

K

)2k(e)1k(e)k(eTK

)1k(e)k(e2TK)1k(e)k(eK)

i P d

i

P

d

i P

−+

−+

=

−+

−

−+

+

−

−+

TKK

Lý do các giá trị tìm được từ phương pháp Ziegler-Nichol không phải là các tối ưu, là do phương pháp Ziegler-Nichol chỉ áp dụng cho hệ thống có quán tính lớn, còn động cơ DC đáp ứng nhanh

Theo phương pháp 1 của nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler-Nichol (cho PID):

2

T2.1

III ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CỰC:

Phân bố cực của hàm truyền đạt vòng kín(zero của phương trình đặc tính) để đạt được nghiệm mong muốn nào đó

Xét mô hình bậc hai động cơ tùy động cho ở hình 2.22 Phương trình biến trạng thái của hệ thống:

)k(ub

b)k(xa0

a1)

Tạo ngõ vào điều khiển u(k) , là sự kết hợp tuyến tính các trạng thái Đó là: u(k) = -K1x1(k) – K2x2(k) = -KX(k) (2.42)

Với: K = [K1 K2] , thế (2.42) vào (2.40) ta có:

)k(x

)k(xAA

AA)]

k(xK)k(xK[b

b)k(xa0

a1)

2 1 2

2 1 1 2

1 2

1

=+

Với f1, f2 là các hàm tuyến tính theo K1, K2

Giả sử ta chọn nghiệm zero mong muốn của phương trình đặc tính là: λ1

và λ2 Phương trình đặc tính mong muốn được biểu thị αc(λ) và cho bởi:

=

λ+λ

−

=

2 1 2

1

2

2 1 2

1

1

)K

1 − Ts

−

)1sT(s

Các phương trình của (2.47) tuyến tính theo K1 và K2, giải ra ta có:

K1=f’

1(λ1, λ2 ), K2=f’

2(λ1, λ2) Vậy chúng ta có thể tìm ma trận độ lợi K, là ma trận thể hiện phương trình đặc tính mong muốn nào đó

Trong một vài quá trình, chọn quỹ đạo nghiệm số thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế như tốc độ đáp ứng, độ vọt lố, sai số xác lập, …

Tổng quát, thiết bị bậc n được mô hình bởi: x(k+1) = Ax(k)+Bu(k) (2.48) Tạo ngõ vào điều khiển u(k) bởi quan hệ: u(k) = -Kx(k) (2.49), với K=[K1,K2,…,Kn ] Công thức (2.48) có thể được viết lại: x(k+1) = (A-BK) x(k) = Afx(k) (2.49) Chúng ta chọn nghiệm mong muốn : z = λ1, λ2, …, λn Phương trình đặc tính của hệ thống vòng kín: αc(z) = | zI – A + BK | = (z-λ1)(z-λ2) … (z-λn) (2.50) Phương trình (2.50) có n ẩn số K1, K2, …, Kn và n hệ số đã biết ở vế phải của đa thức Có thể tìm thấy n ẩn số này bằng cách cân bằng các hệ số hai vế phương trình

Hệ thống mô hình động cơ tùy động ở trên có thể cài đặt phần cứng như hình 2.22

CHƯƠNG III CẢM BIẾN VỊ TRÍ

I GIỚI THIỆU CHUNG :

Cảm biến là một thiết bị biến đổi đại lượng đo được thành một tín hiệu ở dạng khác Ngõ vào của cảm biến có thể là lực, dịch vị, áp suất, điện áp, dòng điện, …, và thông thường ngõ ra của cảm biến được yêu cầu chuyển đổi thành một tín hiệu điện phù hợp với việc điều khiển hay hiển thị của thiết bị

Hình3.1 dưới đây là đặc trưng đồ thị ngõ vào ra của cảm biến, mạch xử lý tín hiệu và đo lường chuyển đổi

Chuyển đổi đo lường

Xử lý tín hiệu

Năng lượng bên ngoài

Ngõ ra chuyển đổi

đo lường

Cm 3.1(a):Sơ đồ khối của cảm biến

Max Min

II ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ (DỊCH VỊ) :

Phương pháp cảm biến : đo lường vị trí (dịch vị) được chia ra hai loại, dịch vị thẳng và dịch vị góc Dịch vị thẳng được đo lường trên đơn vị chiều dài, dịch vị góc được đo lường trên đơn vị radian hay độ

Hình3.2 :thể hiện sự chuyển đổi giữa dịch vị thẳng và dịch vị góc:

Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí, đo lường bề dầy, đường kính của một vật, vị trí hiện tại của vật đang dịch chuyển, xác định sự tồn tại của một vật

Cảm biến vị trí thường có một trục có quan hệ cơ khí với đối tượng cần đo Để đo lường, cảm biến dựa vào vị trí của trục cảm biến, chức năng của cảm biến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành một phẩm chất đo lường Ví dụ vị trí hiện tại của trục cảm biến có thể gây nên sự thay đổi của điện dung của một tụ điện, tự cảm của cuộn dây, hổ cảm của hai cuộn dây, điện trở ,… từ đó xác định được vị trí của đối tượng Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghép với encoder, một thiết bị chuyển đổi vị trí hiện tại thành tín hiệu số

Ngoài ra có một số cảm biến, không cần tiếp xúc với đối tượng đo lường Cảm biến loại này sử dụng sự thay đổi của hệ số hổ cảm, điện dung, điện trở, … để xác định sự hiện diện và đo lường vị trí của đối tượng

1 Cảm biến vị trí dùng chiết áp : Cảm biến chứa đựng một biến trở và một contact trượt có thể di chuyển từ đầu này đến đầu kia của điện trở Cảm biến chiết áp đo lường cả dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc Như mô tả ở hình 3.3, hai đầu dây biến trở được cung cấp một điện áp chuẩn Es Điện áp Eoutt của contact trượt có quan hệ trực tiếp với hằng số điện áp chuẩn Es

+ Chiết áp dịch vị thẳng : OUT ES

-L

x

3.3(a): Chiết áp dịch vị thẳng

Khi dây điện trở là dây quấn thì độ phân giải của cảm biến được xác định bởi bước điện áp hai vòng kề sát nhau của dây Nếu dây điện trở có N vòng dây, thì bước điện áp giữa mổi vòng là

N

E100E

E100(%)giảiphân

Độ

S

S S

Cảm biến chiết áp có điện trở tải được mô tả bởi hình 3.4:

ES Dây

điện trở

Contact Trượt

θL θ

+

EOUT 3.3(b): chiết áp dịch vị góc

RL

Es 1

2+

Eout

IL

aRp

Rp

Hình3.4 : Sai số tải

được tạo ra ở chiết áp

khi một điện trở tải

được nối giữa Contact

trượt và một đầu của

dây điện trở

Nếu RP là điện trở của chiết áp và a là vị trí giữa contact trượt và điểm chuẩn Điện trở RL được nối song song với điện trở aRP, và điện trở tương đương:

+ , điện trở ở phần còn lại của chiết áp (1-a)Rp

Điện trở tổng :

P L P L P

RaRR)a1(R

++

−

P L P L P

P L P L

raar1

aE

)aRR(RaRR)a1(

)aRR(RaRE

++

)a1(aEraar1

aaE

EaE

Saisố S OUT S 2 S  2 2  S

−+

−

=

)a1(ar1

)a1(a100(%)

EOUT

(a): Sơ đồ nguyên lý LVDT

EOUT +

- (b): Đồ thị quan hệ ngõ vào/ra Hình3.5: Biến áp vi sai và bộ phát hiện độ lệch pha tạo ra một điện áp dc EOUT quan hệ với sự dịch chuyển của lỏi từ

LVDT gồm cuộn dây sơ cấp nằm giữa hai cuộn dây thứ cấp trên một lỏi từ hình trụ rỗng Lỏi từ có thể di chuyển tạo ra sự biến đổi áp quan hệ từ giữa các cuộn dây Trục cảm biến được gắn vào lỏi từ, do đó sự dịch chuyển của lỏi từ là do sự dịch chuyển của vật được đo Điện áp AC được cung cấp cho cuộn sơ cấp và kết quả ghép chuyển đổi này làm xuất hiện một điện áp AC ngang qua từng cuộn thứ cấp Khi lỏi từ ở vị trí trung tâm, thì hai điện áp thứ cấp triệt tiêu lẩn nhau tại hai đầu a và b Khi lỏi từ dịch chuyển sang một bên, điện thế ở một cuộn thứ cấp được ghép chặt và có giá trị lớn hơn cuộn còn lại Trị tuyệt đối của điện áp Va-b có liên hệ với sự dịch chuyển của lỏi từ kể từ vị trí không Khi lỏi từ dịch chuyển cùng khoảng cách nhưng ở hai bên khác nhau của vị trí không, thì điện áp AC tại a và b là: Va-b và –Va-b Hay nói cách khác, trị tuyệt đối của áp Va-b thể hiện độ lớn dịch chuyển và dấu thể hiện chiều dịch chuyển kể từ vị trí không

3 Cảm biến vị trí sử dụng selsyn (Synchro Systems):

Selsyn là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay thành(dịch chuyển góc) thành một điện áp AC, hay ngược lại chuyển đổi điện áp AC thành chuyển động quay Có ba loại selsyn khác nhau được sử dụng trong chuyển đổi dịch chuyển góc là: bộ điều khiển phát, bộ điều khiển biến áp và bộ điều khiển vi sai

Cảm biến vị trí dùng selsyn sử dụng nhóm hai hay ba bộ phận trên để đo lường dịch chuyển góc Ví dụ một bộ phát điều khiển và biến áp điều khiển từ một hệ thống hai thiết bị ở hình 3.6 để đo lường dịch chuyển góc giữa hai lỏi quay