Bài giảng Hệ thống cơ điện tử: Chương 3 Cơ cấu chấp hành cung cấp cho người học những kiến thức như: Giới thiệu về cơ cấu chấp hành; Các cơ cấu chấp hành và đặc tính; Hệ thống thủy lực và khí nén; Các phần tử xử lý và điều chỉnh;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1CƠ CẤU CHẤP HÀNH
GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện
Trang 2Giới Thiệu Về Cơ Cấu Chấp Hành
Trang 3Giới Thiệu Về Cơ Cấu Chấp Hành
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động
Trang 4Giới Thiệu Về Cơ Cấu Chấp Hành
Dạng Công
Suất
Đại Lượng Thế Suy Rộng (p)
Đại Lượng Dòng Suy
Lượng truyền nhiệt: kA Pth = Δt kA
Các dạng công suất và các đại lượng dòng, đại lượng thế suy rộng có liên quan
Trang 5Các Cơ Cấu Chấp Hành & Đặc Tính
Điôt, thyristo, transistor lưỡng cực, triac,
điac, mosfet công suất, rơ le bán dẫn
Dạng điện tử, đáp ứng tần số rất cao Tiêu thụ năng lượng thấp
ĐC một chiều, kích từ độc lập Tốc độ có thể điều khiển bằng điện áp chạy trong cuộn dây phần ứng hoặc thay đổi dòng điện
trường
ĐC một chiều mạch mắc rẽ nhánh Ứng dụng không đổi
ĐC một chiều mạch tổ hợp Mô men khởi động cao, mô men gia tốc cao, tốc độ cao với tải nhẹ, không ổn định khi tải nặng
ĐC một chiều nam châm vĩnh cửu kiểu
truyền thống
Hiệu suất cao, công suất cao, đáp ứng nhanh
ĐC một chiều nam châm vĩnh cửu cuộn
dây chuyển động
Hiệu suất cao hơn, độ cảm thấp hơn động cơ một chiều truyền thống
ĐC một chiều nam châm vĩnh cửu kiểu
động cơ mô men
Có thể chạy trong thời gian dài trong điều kiện chết máy hoặc vòng quay thấp
ĐC một chiều truyền thông điện tử
(không chổi quét)
Đáp ứng nhanh, hiệu suất cao > 75%, tuổi thọ dài, độ tin cậy cao, không cần bảo dưỡng, sinh nhiễu tần số sóng thấp
ĐC cảm ứng xoay chiều Là động cơ được dùng nhiều nhất trong công nghiệp, đơn giản, rẻ và khỏe
ĐC đồng bộ xoay chiều Rotor quay với tốc độ đồng bộ, hiệu suất rất cao trên dải vận tốc và tải rộng, cần trợ giúp để khởi
động, tuổi thọ ngắn
ĐC bước lai ghép Thay đổi xung điện trong chuyển động cơ học đưa ra vị trí chính xác, không cần phản hồi
ĐC bước từ trở biến thiên Bảo dưỡng ít
Trang 6Các Cơ Cấu Chấp Hành & Đặc Tính
Thiết bị dạng solenoid Lực lớn, tác động nhanh
Nam châm điện từ, rơ le Điều khiển đóng, mở
Xy lanh Thích hợp với chuyển động thẳng
Động cơ thủy lực nói chung Dải tốc độ rộng, khoảng tải rộng, tin cậy cao, không có rủi ro sốc điện
Các loại van thủy khí Ít phải bảo dưỡng
Cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh Đặc tính
Áp điện và điện giảo Tần số cao với chuyển động nhỏ, điện áp thấp với kích thích dòng điện thấp, độ phân giải cao
Từ giảo Tần số cao với chuyển động nhỏ, điện áp thấp với kích từ dòng điện cao
Hợp kim nhớ hình thù Điện áp thấp với kích từ dòng điện cao, tần số thấp với chuyển động lớn
Dòng lưu biến điện Kích từ điện áp rất cao, chịu đựng tốt với sốc và dao động cơ học, tần số thấp với lực lớn
Cơ cấu chấp hành mirco và nano Đặc tính
Động cơ micro Thích hợp với các hệ micro
Van micro Co thể dùng công nghệ xử lý silic sẵn có, tính chất như động cơ tĩnh điện
Bơm micro Có thể dùng bất cứ vật liệu thông minh nào
Trang 7Hệ Thống Thủy Lực & Khí Nén
Trang 8Giới Thiệu Hệ Thống Thủy Khí
Nguyên lý làm việc
Trang 9Giới Thiệu Hệ Thống Thủy Khí
Hệ thống thủy lực
Hệ thống khí nén
Trang 10Giới Thiệu Hệ Thống Thủy Khí
Động cơ thủy lực
Động cơ khí nén
Bơm (hoặc máy nén): là thiết bị biến năng lượng cơ học (của động cơ dẫn động)
Động cơ (thủy lực hoặc khí nén): là thiết bị biến năng lượng dòng môi chất thành
năng lượng cơ học, giữa bơm và động cơ có tính thuận nghịch (kết cấu tương tự nhau)
Trang 11Giới Thiệu Hệ Thống Thủy Khí
Sơ đồ nguyên lý mạch thủy khí cơ bản
Trang 12Các Thiết Bị Trong HT & Vai Trò
Van an toàn: là thiết bị có chức năng giữ cho áp lực của hệthống không vượt quá giá trị định trước
Van tiết lưu: là thiết bị có chức năng thay đổi lưu lượng của
dòng chảy, lưu lượng qua van tiết lưu phụ thuộc vào tải trọngngoài và thường không ổn định
Van đảo chiều: thiết bị có chức năng ấn định hướng của dòng
môi chất, nó dùng xác định hướng di chuyển của cơ cấu chấphành
Các rơle áp lực: ấn định trạng thái bắt đầu hay kết thức làm
việc của hệ thống
Van một chiều: chỉ cho môi chất di chuyển theo một hướng
xác định và khóa hướng lưu thông ngược lại
Trang 13Các Thiết Bị Trong HT & Vai Trò
Các thiết bị khuếch đại lực hoặc momen: Dùng khuếch đại
lực hoặc mô men công tác truyền từ cơ cấu điều khiển đến khâucông tác
Các thiết bị tích áp: lưu trữ năng lượng dưới dạng áp lực để
bù rò cho hệ thống
Thiết bị đảo chiều phụ: dùng tác động đổi chiều tự động cho
dòng lưu chất có chức năng điều khiển (phân biệt với dòng côngtác
Trang 14Các Phần Tử Xử Lý & Điều Chỉnh
Trang 16Van Áp Suất
• Van điều chỉnh áp suất (van giảm áp):
• Van cản:
Trang 17Van Áp Suất
• Van tiết lưu cố định:
• Van tiết lưu thay đổi được lưu lượng:
Trang 19Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Tín hiệu tác động:
Trang 20Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Tín hiệu tác động:
Trang 21Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Có rất nhiều dạng khác nhau, nhưng dựa vào đặc điểmchung là số cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động để phânbiệt
Số vị trí: là số chỗ định vị con trượt của van, thôngthường có 2 hay 3 vị trí
Số cửa: là số lỗ dẫn khí hay dầu vào ra, thường dùng 2,
3, 4, 5 cửa
Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trượt chuyển từ vịtrí này sang vị trí khác, thường là 1 hoặc 2
Trang 22Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Van 2/2:
Van 3/2:
Trang 23Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Van 4/2:
Van 5/2:
Trang 24Van Áp Suất
• Van đảo chiều:
Van 4/3:
Trang 25Van Áp Suất
• Van servo:
Trang 26Cơ Cấu Chấp Hành Thủy -Khí
Trang 28Xi-lanh lực:
• Xi-lanh màng:
Trang 29Xi-lanh lực:
• Xi-lanh tác dụng kép:
Trang 30Xi-lanh lực:
• Xi-lanh quay:
Trang 31Bơm bánh răng:
Trang 32Bơm cánh gạt:
Trang 33Bơm piston:
Trang 34Phần Tử Chấp Hành Điện
Trang 35Công Tắc (Switch)
Khái niệm: Công tắc là một loại khí cụ đóng ngắt dòng điện bằng
tay, có hai hoặc nhiều trạng thái ổn định, dùng để chuyển đổi, đóng ngắt mạch điện công suất nhỏ
Trang 36Công Tắc (Switch)
Phân Loại & Cấu Tạo:
Cấu tạo của công tắc: phần chính là tiếp điểm đóng mở được gắn trên
Trang 37Công Tắc (Switch)
Các thông số kỹ thuật cơ bản:
Điện áp định mức một chiều có thể là 110V, 220 V, 440V Điện áp định mức xoay chiều là 127V, 220V, 380V, 500V
Dòng điện định mức Idm: là dòng điện dài hạn qua tiếp điểm
của công tắc mà không làm hỏng tiếp điểm
Trang 38Công Tắc (Switch)
Các thông số kỹ thuật cơ bản:
Tuổi thọ cơ khí: được tính bằng số lần đóng ngắt
Thường vào khoảng 1 triệu lần đóng ngắt không điện
200 ngàn lần đóng ngắt có dòng điện định mức
Điện áp cách điện: điện áp thử cách điện
Trang 39Công Tắc (Switch)
Một số hình dạng công tắc:
Công tắc xoay
Trang 40Công Tắc (Switch)
Một số hình dạng công tắc:
Công tắc bật
Trang 41Công Tắc (Switch)
Một số hình dạng công tắc:
Công tắc hành trình
Trang 42Rơ Le (Relay)
Rơle là thiết bị tự động đóng, cắt các tiếp điểm dựa trên sự
thay đổi của các đại lượng như: dòng điện, điện áp, nhiệt độ, điện trở
Trang 43Rơ Le (Relay)
Phân loại:
Theo nhiệm vụ: Rơ le điều khiển, rơ le bảo vệ, rơ le tín hiệu, rơ le trung gian
Theo tham số vật lý: Rơ le theo tham số điện (I, U, P, f),
rơ le theo tham số cơ (chuyển dịch, vận tốc)
Theo nguyên lý làm việc: rơ le điện từ, rơ le điện động,
rơ le nhiệt, rơ le điện trở, rơ le cảm ứng, rơ le tốc độ, rơ le thời gian
Theo dòng điện: rơ le dòng điện một chiều, rơ le dòng điện xoay chiều
Trang 44Rơ Le Nhiệt
Khái niệm và cấu tạo:
Là loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải.Rơ-le nhiệt không tác động tức thời theo trị số dòng điện vì có quán tínhnhiệt lớn, cần thời gian phát nóng (vài giây đến vài phút)
Trang 45Rơ Le Nhiệt
Nguyên lý hoạt động:
Ký hiệu:
Trang 47Rơ Le Thời Gian
TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
Rơ le thời gian (time-delay relay)
Rơ le thời gian được thiết kế để trì hoãn thời gian
đóng/mở tiếp điểm khi được kích hoạt.
Time relay
Time delay when the coil is energized Time delay when the coil is deenergized
Trang 49Hai lớp điện tích dương và âm tạo thành vùng nghèo, là vùng gần tiếpgiáp P-N do sự thiếu hụt các hạt tải tùy thuộc vào quá trình khuếch tántại mối nối
Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo làlượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự do Điện thế chênh lệch
đó gọi là điện thế rào cản
Trang 50Phân cực thuận là sự phân cực
tạo điều kiện thuận lợi cho dòng
đi ngang qua mối nối P-N
Đầu (-) của VBIAS nối lớp bán
dẫn N
Đầu (+) của VBIAS nối lớp bán
dẫn P
Giá trị điện áp VBIAS phải lớn
hơn điện thế rào cản
Phân cực nghịch là điều kiệncần thiết ngăn cản dòng điện điqua diode
Đầu (+) của VBIAS nối lớp bándẫn N
Đầu (-) của VBIAS nối lớp bándẫn P
Vùng nghèo sẽ tăng rộng hơn
so với trạng thái phân cực thuận
Trang 51Khi VF=0, không có dòng diode IF=0
Khi VF gia tăng do gia tăng điện áp
ngoài VBIAS, dòng IF gia tăng
Khi VBIAS tăng đến mức để VF~0.7V,
dòng IF gia tăng nhanh
Khi tiếp tục gia tăng VBIAS thì dòng IF
càng gia tăng nhưng VF hơi gia tăng
Khi cấp áp ngoài phân cực nghịch
VBIAS, dòng IR có giá trị rất nhỏ
Khi tăng áp nghịch VR phá vỡ áp
phân cực nghịch VBR, dòng IR gia tăng
rất nhanh
Tiếp tục gia tăng áp VBIAS thì dòng IR
gia tăng nhanh trong khi áp VR hơi tăng
VF: điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận
VBIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode
IF: dòng điện qua diode lúc phân cực thuận
IR: dòng điện nghịch
VR: điện áp nghịch
VBR: điện áp phá vỡ phân cực nghịch
Trang 52Thyristor hay Chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR) là phần tử bán
dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn,ví dụ như P-N-P-N
Thyristor có 3 cực: anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G) Nóđược dùng để chỉnh lưu dòng điện có điều khiển
Trang 53SCR – silicon-controlled rectifier
- Dòng điện nhỏ IG kích vào cực G làm
mối nối P-N giữa cực cổng G và catod
K dẫn → phát khởi dòng điện IA qua
SCR lớn hơn nhiều.
- Đổi chiều nguồn VAA sẽ không có
dòng điện qua SCR cho dù có dòng
- Ngắt SCR bằng ngắt nguồn VAA hay giảm VAAsao dòng qua SCR nhỏ hơn trị số nào đó gọi là dòng duy trì IH
Trang 54- Khi SCR phân cực nghịch, chỉ có dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR.
- Khi SCR phân cực thuận, nếu nối tắt hay để hở VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ thì chỉ có dòng rất nhỏ chạy qua SCR Nhưng khi VAK đạt đến trị số nào đó (điện thế quay về VBO) thì VAK sụt xuống 07V Dòng tương ứng bây giờ là dòng duy trì IH.
- Khi tăng VGG để tạo dòng kích IG càng lớn, thì VBO càng nhỏ hơn
Trang 55Mạch SCR đối với tải DC
Trang 56Mạch SCR đối với tải AC
Trang 57Mạch SCR đối với tải AC
Ứng dụng: đóng/mở mạch động lực, chỉnh lưu, và biến tần …
Trang 58TRIAC (viết tắt của TRIode for Alternating Current) là phần tử bán
dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc P-N-P-N như ởthyristor theo cả hai chiều giữa các cực MT1 và MT2 Do đó có thể dẫndòng theo cả hai chiều giữa MT1 và MT2
TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song songngược
Để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac
TRIAC đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoaychiều và các công-tắc-tơ tĩnh
Trang 60Muốn transistor hoạt động như bộ khuếch đại, hai mối nối P-N phảiđược phân cực đúng bằng các nguồn DC ngoài
Mối nối Nền-Phát được phân cực thuận
Mối nối Nền-Thu được phân cực nghịch
Trang 61E C B
C DC
B
I I
BB BE B
Trang 62Cho mạch transistor như hình, biết
βDC=150 Xác định IB, IC, IE và VCE,
VCB
Trang 63Cường độ từ trường sinh ra phụ thuộc vào:
Cường độ dòng điện đi qua dây,
Số vòng dây trên một đơn vị đo chiều dài của ống dây
Kích thước của ống dây
Trang 65Động Cơ Điện Một Chiều
Nguyên lý làm việc
Trang 66Động Cơ Điện Một Chiều
Lực tác dụng lên cuộn dây: với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N)
I: dòng chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G) L: chiều dài cuộn dây (m)
: góc tạo bởi vectơ B và I
Trang 67Động Cơ Điện Một Chiều
Phần ứng động cơ DC
Moment tạo ra
với: T: moment động cơ
KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
IA: dòng điện phần ứng
: từ thông
Trang 68Động Cơ Điện Một Chiều
Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng).
Điện áp thực trên phần ứng
với: VA: điện áp thực trên phần ứng
VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ
IA: dòng điện phần ứng
RA: trở kháng phần ứng
với: EMF: điện áp tạo ra
KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
: từ thông
S: tốc độ động cơ (rpm)
Trang 69Động Cơ Điện Một Chiều
Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10 và sức điện động tạo ra là 0.3 V/100 rpm Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm.
Trang 70Động Cơ Điện Một Chiều
Đường đặc tính (moment - tốc độ) của động cơ nam châm vĩnh cữu ( permanent magnet )
Trang 71Động Cơ Điện Một Chiều
Thí dụ: Một động cơ DC PM sử dụng trong máy quay băng Khi trả băng, động cơ làm việc ở 10 V với vận tốc 500 rpm Để rút ngắn thời gian trả băng, nguời ta muốn động cơ làm việc với vận tốc 650 rpm Khi đó moment tải ước tính sẽ tăng thêm 50% Hãy xác định điện áp phần ứng để động cơ đáp ứng được yêu cầu này.
Trang 72Động Cơ Điện Một Chiều
→ Chiều quay: chiều dòng điện chạy qua động cơ quyết định chiều quay trục của động cơ
→ Tốc độ: tốc độ động cơ phụ thuộc vào áp và tải đặt trên động cơ.
→ Điện áp: động cơ công suất nhỏ có điện áp từ 1.5V đến 48V Điện áp hoạt động chỉ thị điện áp thông thường hay điện áp áp dụng vào động cơ giúp động cơ hoạt động trong điều kiện bình thường (sản sinh ra công suất cực đại và tiêu thụ dòng điện hoạt động.
→ Dòng điện: Khi động cơ được cấp điện áp hoạt động, dòng chạy qua động cơ phụ thuộc vào tải (dòng và tải tỷ lệ thuận).
→ Công suất: moment sản sinh ra ở trục động cơ phụ thuộc không chỉ vào đặc tính điện và đặc tính cơ, mà còn phụ thuộc đường kính trục.
Trang 73Động Cơ Điện Một Chiều
Đo moment bằng phương pháp cơ:
→ (a) Sử dụng Prony brake dynamometer:
dựa vào đặc tính moment thay đổi theo tốc độ
động cơ.
→ (b) Sử dụng dynamo đóng vai trò như tải:
dòng cấp cho đèn thay đổi chính là tải
→ (c) Sử dụng tải đã biết trọng lượng: phương
pháp này phù hợp cho động cơ tốc độ thấp,
bởi vì việc đo lường phụ thuộc vào độ trễ
trong xác định chuyển vị của tải.
Trang 74Động Cơ Điện Một Chiều
Đo moment bằng phương pháp điện:
→ Dựa vào đặc tính động cơ đạt 60~80% khi hoạt động ở vận tốc bình thường.
T: moment P: công suất động cơ ω: vận tốc góc
V: áp cấp cho động cơ I: dòng qua động cơ
Trang 75Động Cơ Điện Một Chiều
Đo vận tốc:
→ (a) Sử dụng động cơ như dynamo.
→ (b) Sử dụng đèn LED
→ (c) Sử dụng oscillope
Trang 76Động Cơ Điện Một Chiều
Trang 77Động Cơ Điện Một Chiều
Mạch cầu H:
→ Nguyên lý hoạt động: thay đổi chiều động cơ đơn giản bằng relay kép (double pole, doule throw: DPDT) Tuy nhiên, giá thành relay cao, kích thước vật lý lớn, trọng lượng nặng, cấu tạo có các thành phần cơ khí có khả năng gây sự cố.
→ Sử dụng transistor như switch để điều khiển động cơ Ngược lại, đổi chiều động cơ đòi hỏi phải
sử dụng thiết bị đóng vai trò như switch DPDT Trong khi đó, transistor hoạt động như switch SPST ( single pole, single throw).
→ Do đó, sử dụng 2 hay 4 transistor kết hợp để điều khiển động cơ như switch DPDT
Trang 78Động Cơ Điện Một Chiều
Mạch cầu H (Half Bridge):
→ Sử dụng 2 switch SPST và 2 nguồn tạo thành mạch kín:
- Nếu SW1 đóng, dòng điện qua động cơ do B1, động cơ quay theo CW
- Nếu SW2 đóng, dòng điện qua động cơ do B2, động cơ quay theo CCW
→ Sử dụng 2 transistor như switch bằng cách phân cực transistor bằng nguồn ngoài Nhược điểm của phương pháp này là nguồn cấp phải đối xứng Khắc phục bằng phương pháp sử dụng 4 transistor.
Trang 79Động Cơ Điện Một Chiều
Mạch cầu H (Full Bridge):
→ Sử dụng 4 switch SPST và 1 nguồn tạo thành mạch kín:
- Nếu SW1 & SW4 đóng, động cơ quay theo CW
- Nếu SW2 & SW3 đóng, động cơ quay theo CCW
→ Sử dụng 4 transistor như switch bằng cách phân cực transistor bằng nguồn ngoài Tùy thuộc vào quá trình phân cực mà transistor có thể dẫn hay không dẫn dòng điện.
→ Lưu ý (Q1 & Q3) hay (Q2 & Q4) dẫn đồng thời để xảy ra tình trạng ngắn mạch
Trang 80Động Cơ Điện Một Chiều
Điều khiển động cơ
• Bộ khuếch đại công suất: dùng các mạch khuếch đại tín hiệu tương tự
• Bộ điều chế độ rộng xung: tạo ra các xung DC ở mức điện áp cố định
