Điều khiển động cơ điện một chiều - Chương 2

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà

Chương 2 các phương pháp và sơ đồ ghép nối vi xử lý - máy tính để

điều khiển động cơ điện một chiều Hiện nay do công nghệ mạch tổ hợp phát triển mạnh mẽ nên giá thành các thiết bị IC rất hạ Trong công nghiệp kỹ thuật điều khiển số được áp dụng một cách rất rộng rãi ở mức độ đơn giản, có thể thực hiện bộ điều khiển bằng các IC rời rạc cỡ nhỏ ở mức độ trung bình có thể sử dụng các àP và các thiết bị ngoại vi đơn giản ở những máy móc và hệ thống phức tạp yêu cầu đặc tính kỹ thuật cao có thể sử dụng microcomputer Các hệ vi xử lý trong công nghiệp trước năm 1976 thường sử dụng loại 4 bit như 4004,

4040 Khoảng từ những năm 1977 đến 1985 trên thị trường khá phổ biến loại 8 bít như 8080, 8085, Z80 Hiện nay các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao người ta thường sử dụng các hệ vi xử lý 16 bits hoặc 32 bits

Phương pháp điều khiển xung Transistor

Hình2.1: Sơ đồ nguyên lý ghép nối máy tính điều khiển tốc độ động cơ

Trong đó:

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42

KĐCS: bộ khuếch đại công suất

ĐC: động cơ điện một chiều

FT : máy phát tốc

CL : mạch chỉnh lưu điện áp cho máy phát tốc

Máy tính ngoài chức năng làm bộ so sánh, tạo chương trình điều khiển tốc

độ và định chiều quay cho động cơ còn làm chức năng của bộ biến đổi tín hiệu điều khiển Tín hiệu ra của bộ DAC là các xung vuông có độ rộng thay

đổi T = f(E) với E là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt Bộ khuếch đại công suất chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ phối hợp tải, cung cấp dòng điện để

động cơ làm việc

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyên lý hoạt động của mạch

Khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ của bộ phận kênh Khi đầu vào (-) có tín hiệu U1> 0 còn U2 = 0 thì đầu ra khuếch đại thuật toán bão hoà âm Thế

âm đặt vào các chân bazơ của Transistor T1 và T3 do đó T3 phân cực thuận nên dẫn còn T1 phân cực ngược nên khoá T3 dẫn nên T4 dẫn và động cơ quay theo chiều thuận Khi U1 = 0 và U2 > 0 thì đầu ra khuếch đại thuật toán bão hoà dương làm cho Transistor T1 và T2 dẫn làm cho động cơ sẽ quay theo chiều ngược

Cuộn dây L và tụ C dùng để san bằng điện áp ra của động cơ khi đảo chiều quay Hiện tượng này được giải thích như sau: ta biết rằng máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ động cơ hoặc chế độ máy phát Khi ta đặt

điện áp kích từ hay điện áp phần ứng cho máy điện thì sẽ sinh ra trong máy

điện một mômen làm quay rotor và máy điện một chiều làm việc ở chế độ

động cơ Ngược lại khi quay rotor của máy điện một chiều và đặt điện áp kích từ cho nó lúc này máy điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát Khi

ta đảo chiều quay của động cơ điện một chiều, lúc đó ta không đặt điện áp vào phần ứng động cơ nữa (Uu = 0) nhưng động cơ vẫn quay theo quán tính vẫn có kích từ do vậy ở phần ứng động cơ ta có một sức điện động và động cơ làm việc ở chế độ máy phát Độ lớn của sức điện động này phụ thuộc vào tốc độ động cơ lúc đảo chiều

) t ( n C ) t (

Sức điện động này giảm dần theo thời gian vì tốc độ n(t) sẽ giảm dần Do

đó để bảo vệ các Transistor T2 và T4 ta mắc thêm D7 và D8 nối giữa colector

và emitor của các Transistor này Khi động cơ quay thuận mà ta đảo chiều quay thì thế ϕA >Vcc và D7 thông, tiếp giáp C - E của Transistor T4 không phải chịu điện áp ngược :

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42

) t ( E V

Ung = cc +

mà chỉ là : Ung =Vcc +0,7V

Máy phát tốc và động cơ có trục gắn trực tiếp với nhau Điện áp phần ứng của máy phát tốc phản ánh tốc độ thực tế của động cơ Điện áp này được chỉnh lưu bằng cầu điôt D1 ữ D4 để đưa và ADC Phải dùng cầu chỉnh lưu bởi vì động cơ quay thuận nghịch nên điện áp ở máy phát tốc sẽ lúc dương lúc âm tuỳ theo chiều quay của động cơ mà ADC chỉ chịu điện áp analog

đưa vào là lớn hơn 0 do vậy phải dùng cầu chỉnh lưu để đảm bảo điện áp vào ADC là luôn dương Máy phát tốc chính là đường phản hồi tốc độ của

hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ Chương trình điều khiển động cơ trong máy tính sẽ tính ra sai lệch E và lượng điều khiển U = f (E), sau đó lượng

điều khiển sẽ đến một chương trình biến lượng điều khiển U thành xung vuông có độ rộng thay đổi còn biên độ và tần số là hằng số Đây chính là phương pháp điều chế độ rộng xung vuông Nếu sai lệch lớn thì lượng điều chỉnh U cũng lớn và do đó độ rộng của xung vuông cũng lớn

Giả sử ta đang cho động cơ quay ngược ở của vào U2 ta có xung dương có

độ rộng τ Đầu ra của khuếch đại thuật toán cũng có xung vuông có độ rộng

τ các Transistor T1 và T2 sẽ mở và thay đổi tốc độ động cơ Khi ta đảo chiều

động cơ thì các đầu ra của ADC đều bằng 0 và các Transistor T1 ữ T2 đều khoá Động cơ được ngắt khỏi mạch động lực R4 là triết áp dùng để điều chỉnh cho 2 kênh điều khiển cân bằng nhau Tức là khi U1 = U2 = 0 thì thế

ϕA bằng thế đầu ra của khuếch đại thuật toán Các điốt D5, D6 dùng để ổn

định điện áp cung cấp cho khuếch đại thuật toán

Phương pháp điều khiển động cơ một chiều bằng máy tính và bộ biến đổi Thyristor

Sơ đồ điều khiển kinh điển

Trước khi đi vào xây dựng hệ thống theo yêu cầu, ta xét một sơ đồ điều khiển động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi Thyristor chỉnh lưu hai nửa chu kỳ kinh điển sau:

Hình 2.3 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Trong đó:

1: Bộ tạo điện áp đồng pha

2: Máy phát xung răng cưa

3: Bộ so sánh

4: Bộ khuếch đại xung công suất

5: Biến áp xung (BAX)

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Các điôt D1 ữD4 tạo thành mạch chỉnh lưu lưới điện 50Hz Điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu này được đưa tới khâu đồng pha (1) để tạo ra xung răng cưa Để tạo ra xung răng cưa ta lấy tín hiệu từ khâu đồng pha (1) đưa vào mạch tạo xung theo nguyên lý phóng nạp tụ Transistor T1 đóng mở với tần số f=100Hz do sự so sánh giữa thế nguồn một chiều (+15V) và tín hiệu

điện áp sau khi chỉnh lưu Khi T1 khoá, tụ C1 được nạp qua điện trở R3 Hằng số thời gian nạp tụ: Tn =R3C1 Khi Transistor T1 mở thì C1 phóng điện qua T1, hằng số thời gian phóng: Tf = RCEC1 Vì RCE rất nhỏ nên Tf << Tn vì vậy sườn xung phía trước thoải, sườn xung phía sau dốc đứng (trên biểu đồ thời gian ta vẽ cho trường hợp lý tưởng hoá) Đỉnh xung răng cưa có biên độ 10V Điện áp chủ đạo Ucđ có giá trị từ 0V đến 10V Độ lớn của tín hiệu này phụ thuộc vào điểm đặt Khâu so sánh tiếp theo khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán để so sánh tín hiệu điện áp răng cưa với điện áp chủ

đạo Tại thời điểm hai tín hiệu này bằng nhau, khuếch đại thuật toán sẽ lật trạng thái , ở đầu ra của khuếch đại thuật toán điện áp ra có dạng là các chuỗi xung chữ nhật Khi có các xung âm của Transistor T2 và T3 sẽ mở cho dòng qua cuộn sơ cấp của máy biến áp xung (5) và phía cuộn thứ cấp sẽ có xung ra Phần mạch khuếch đại công suất này dùng hai Transistor mắc theo kiểu Darlington

Như vậy góc α sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của điện áp chủ đạo Rf làm nhiệm

vụ giảm dòng đưa vào cực điều khiển của Thyristor

Ta thấy trong sơ đồ điều khiển xung Thyristor bắt buộc phải có điện áp

đồng pha để đảm bảo qúa trình điều khiển thay đổi nhịp nhàng với pha điện

áp động lực Giữa phần động lực ( điện áp cao) và phần điều khiển ( điện áp thấp) phải sử dụng biến áp xung nhằm chỉ thực hiện liên hệ bằng từ mà

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42

cách ly hoàn toàn về điện để sao cho điện áp cao không tràn sang phá hỏng các thiết bị bán dẫn Ta có thể bỏ hai khối: phát xung răng cưa (2) và khối

so sánh (3) nhờ thiết bị bên trong và điều khiển bằng phần mềm Khi đó ta chỉ sử dụng khối đồng pha (1) Việc tạo tín hiệu đồng pha rất đơn giản vì chỉ cần tạo điện áp dương đưa vào A/D của máy tính

Hình 2.6 - Sơ đồ nguyên lý thực hiện đồng pha trong máy tính

Sơ đồ điều khiển động cơ một chiều bằng máy tính và bộ biến đổi Thyristor

Hình 2.7 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ĐCMC

Chương trình điều khiển trong máy tính sau khi đã được đồng bộ hoá với tín hiệu xoay chiều công suất lớn qua khối đồng pha (ĐF) sẽ tạo ra xung hẹp có độ rộng cần thiết để đưa ra ngoài qua bộ biến đổi D/A tới bộ khuếch

đại công suất và biến áp xung để điều khiển Thyristor

Chương trình điều khiển trong máy tính sau khi đã được đồng bộ hoá với tín hiệu xoay chiều công suất lớn qua khối đồng pha (ĐF) sẽ tạo ra xung hẹp có độ rộng cần thiết để đưa ra ngoài qua bộ biến đổi D/A tới bộ khuếch

đại công suất và biến áp xung để điều khiển Thyristor

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Sơ đồ nguyên lý gồm có bộ khuếch đại công suất dùng hai Thyristor T1 và

T2, biến áp xung (BAX) bộ chỉnh lưu công suất lớn D1 ữ D4, Thyristor (Th) các điôt chỉnh lưu, cuộn kháng L

Khi xây dựn xong chương trình phần mềm điều khiển trên máy tính ta có thể đặt tốc độ từ bàn phím khi đó bộ biển đổi D/A sẽ cho ra một xung điện

áp Lúc đó bộ khuếch đại T1 và T2và BAX sẽ mở Thyristor và bộ chỉnh lưu

D1 ữ D4 sẽ cho một điện áp chỉnh lưu xác định (UCL) cung cấp cho động cơ làm việc Giá trị điện áp đặt vào động cơ tại thời điểm ban đầu là lớn nhất

và động cơ làm việc ở chế độ khởi động Lúc đầu động cơ còn đứng yên và bắt đầu quay với tốc độ thấp, máy phát tốc ban đầu chưa phát ra điện

nhưng khi tốc độ động cơ dần dần tăng lên thì điện áp ra của máy phát tốc cũng tăng theo Điện áp phản hồi lấy từ máy phát tốc đưa vào bộ biến đổi A/D Chương trình trong máy tính sẽ thực hiện phép trừ của giá trị đặt tốc

độ với tín hiệu phản hồi này và cho xung ra điều khiển từ D/A tăng dần từ

α1 ữ α2 (α1 < α2) lúc đó điện áp của bộ chỉnh lưu sẽ giảm xuống, động cơ sẽ làm việc với một tốc độ ổn định Muốn thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ việc thay đổi giá trị đặt từ bàn phím