Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động
Luận văn
Nghiên cứu tổng hợp bộ
điều chỉnh lai sử dụng
trong hệ thống tuỳ động
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn
Hoàng Anh Tuấn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦU
Hiện nay, tự động hoá đang đƣợc các nhà máy quan tâm đặc biệt và đƣợc
ƣnga dụng hầu hết trong các máy công cụ, trong lĩnh vực sản xuất xi măng, cán
thép, hệ thống thang máy, máy nâng, hệ thống điều khiển rađa, máy chép hình,
ngƣời máy…Việc dừng chính xác hay đồng tốc của hai truck cán đó là điều rất quan
trọng, nó ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng sản phẩm, tới hiệu quả công việc. Để
đạt đƣợc điều này thì trong hệ thống đƣa thêm mạch vòng vị trí, khi đó hệ thống
đƣợc gọi chung là hệ tuỳ động vị trí (hay hệ bám. Để nâng cao chất lƣợng thì mới
dừng lại ở các mạch vòng phản hồi nên chất lƣợng chƣa cao đồng thời còn có nhiều
nhƣợc điểm vì nó ảnh hƣởng đên tính liên tục của hệ thống dẫn đên lƣợng đầu ra
cũng dễ bị thay đổi. Do đó một vấn đề đặt ra là làm nhƣ thế nào để nâng cao chất
lƣợng của hệ thống. Trên cơ sở đó thì trong luận văn này sẽ đi tìm hiểu, nghiên cứu
và ứng dụng phƣơng pháp điều khiển mờ vào và kết hợp với bộ điều chỉnh truyền
thống gọi là bộ điều khiển để nâng cao chất lƣợng của hệ thống.
Điều khiển mờ hiện đang giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống điều
khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại thực hiện tốt
các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ nhƣ độ chính xác cao, độ tác động nhanh, tính bền vững
và ổn định tốt, dễ thiết kế và thay đổi…Khác với kỹ thuật điều khiển truyền thống
thông thƣờng là hoàn toàn dựa vào độ chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong
nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có đƣợc, hệ điều khiển lôgic mờ
đƣợc áp dụng hiệu quả nhất trong các quá trình chƣa xác định rõ hay không thể đo
đạc chính xác đƣợc, trong các quá trình điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin.
Chính khả năng này của điều khiển mờ đã giúp giải quyết thành công các bài toán
phức tạp, các bài toán mà trƣớc đây không giải đƣợc.
Sau hơn 2 năm học tập tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, tôi đã đƣợc đào tạo và tiếp thu đƣợc những kiến thức hiện đại và tiên tiến
nhất trong lĩnh vực tự động hoá. Trƣớc khi tốt nghiệp cao học, tôi nhận đƣợc đề tài:
“Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động”
Nội dung của bản luận văn đƣợc đƣa chia làm 4 chƣơng:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương II: Đo kiểm tín hiệu vị trí.
Chương III: Thiết kế ứng dụng bộ diều khiển thông thường.
Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn Nhƣ
Hiển - ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin trân thành cảm ơn Khoa sau Đại học, xin trân thành cảm ơn Ban
giám hiệu Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi
nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khoá học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 4 năm 2008
Ngƣời thực hiện
Hoàng Anh Tuấn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
M ỤC L ỤC
MỤC
TÊN ĐỀ MỤC
TRANG
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1
1
I.1.
I.2.
Ứng dụng của hệ thống tuỳ động vị trí
Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí.
So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc
Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí
1
I.3.
3
I.4.
4
I.4.1.
I.4.2.
I.4.3.
Hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng
4
Hệ thống tuỳ động kiểu số
5
Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số
7
CHƢƠNG 2 ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ
9
II.1.
II.2.
Sensin
9
Bộ biến áp quay
14
16
19
19
21
II.3.
Bộ đồng bộ cảm ứng
Đĩa mã quang điện
Đĩa mã kiểu gia số.
Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối
THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG
THƢỜNG
II.4.
II.4.1.
II.4.2.
CHƢƠNG 3
23
III.1.
Tổng quan về thiết bị nâng
Công dụng
23
23
23
III.1.1.
III.1.2.
Phân loại
III.1.3.
Các chế độ làm việc của TBN
29
Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị
III.1.4.
III.2.
29
30
nâng
Phân tích sai số trạng thái ổn định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
III.2.1.
III.2.2.
Sai số đo kiểm
31
31
Sai số nguyên lý
III.2.2.1.
III.2.2.2.
III.2.2.3.
III.2.2.4.
III.2.2.5.
III.3
Tín hiệu vào điển hình
32
33
35
36
37
40
42
47
48
49
49
49
51
53
55
Sai số nguyên lý của hệ thống loại I
Sai số nguyên lý hệ thống loại II
Nhân tố phẩm chất của trạng thái ổn định
Sai số nhiễu
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy nâng
Hàm truyền của động cơ điện
III.3.1.
III.3.2.
III.3.3.
III.3.4.
III.4.
Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor
Hàm truyền của máy phát tốc
Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện
Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R
Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI
Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R
Tổng hợp mạch vòng vị trí
III.4.1.
III.4.2.
III.4.3.
III.5.
Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
Tính toán các thông số và mô phỏng hệ tuỳ động vị trí
khi sử dụng bộ điều khiển PID
III.6.
57
57
Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động
cơ điện một chiều kích từ độc lập
III.6.1.
Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển
III.6.2.
61
65
PID
CHƢƠNG
IV
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
IV.1
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Nguyên lý điều khiển mờ
66
68
68
IV.2.
IV.3.
Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
IV.4.
Các bộ điều khiển mờ
74
74
IV.4.1.
Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển
IV.4.2.
IV.4.3.
75
75
Bộ điều khiển mờ tĩnh
Bộ điều khiển mờ động
Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển mờ lai cho mạch
IV.5.
78
vòng vị trí
IV.5.1.
IV.5. 2.
IV.5.3.
IV.6.
Mờ hóa
78
80
81
81
86
88
Luật điều khiển và luật hợp thành
Giải mờ
Mô phỏng hệ tuỳ động vị trí khi có bộ điều khiển mờ
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
I.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động vị trí
Hệ thống tuỳ động vị trí được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế. Nhiệm vụ cơ
bản của nó chính là thực hiện sự bám sát chính xác cơ cấu chấp hành đối với chỉ
lệnh vị trí (lượng cho trước), đại lượng điều khiển (lượng đầu ra) thường là vị trí
không gian của phụ tải, tức lượng cho trước thay đổi theo máy, hệ thống có thể làm
cho đại lượng điều khiển bám sát và khôi phục đối tượng điều khiển một cách chính
xác không có nhầm lẫn. Ví dụ điều khiển cơ cấu ép trục cán trong quá trình cán kim
loại, phải làm cho khe hở giữa hai trục cán có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều
khiển quỹ tích gia công của máy cắt điều khiển số và điều khiển bám của máy cắt
mô phỏng hình; cơ cấu nâng hạ có thể làm cho dừng chính xác ở những vị trí mong
muốn; cơ cấu lái tự động tàu thuyền có thể làm cho góc lệch của lá chân vịt đặt ở
đuôi tàu thuyền phỏng đúng theo góc quay của bánh lái (vô lăng) đặt ở buồng lái
điều khiển tàu thuyền đi đúng tuyến đường đã vạch ra; cơ cấu điều khiển anten rađa
của cụm súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm đúng mục tiêu; điều khiển
động tác của người máy. Những ví dụ trên đây đều là những ứng dụng cụ thể về hệ
thống điều khiển tuỳ động vị trí.
Chỉ lệnh vị trí (cơ cấu cho trước) trong hệ thống tuỳ động vị trí cũng như đại
lượng điều khiển là vị trí (hay đại lượng điện đại diện cho vị trí), đương nhiên có
thể là chuyển vị góc, chuyển vị dài. Vì thế hệ thống tuỳ động buộc phải là hệ thống
phản hồi vị trí. Hệ thống tuỳ động vị trí là một hệ thống tuỳ động nghĩa hẹp, về
nghĩa rộng mà nói, lượng đầu ra của hệ thống tuỳ động không nhất thiết phải là vị
trí, mà có thể là các đại lượng khác, chẳng hạn như hệ thống điều tốc hai mạch vòng
kín tốc độ quay và dòng điện là một hệ thống tuỳ động; máy làm giấy, máy dệt
nhiều trục sử dụng nhiều động cơ có thể coi là hệ thống tuỳ động đồng tốc…Hệ
thống tuỳ động nói chung cũng còn gọi là hệ thống bám.
I.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí
a. Cấu tạo:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
Sau đây sẽ thông qua một ví dụ đơn giản để nói rõ về cấu tạo, nguyên lý làm
việc của hệ thống tuỳ động vị trí. Đây là một hệ thống vị trí kiểu chiết áp dùng để
bám đuổi anten rađa.
Hệ thống này gồm những bộ phận chính sau:
+ Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí
(góc), trong đó trục quay của RP1 nối thông với bánh điều khiển làm góc cho trước,
trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối thông với bộ phận phụ tải làm phản
hồi góc quay, 2 bộ chiết áp đều được cấp điện nhờ nguồn điện một chiều Us, như
vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra.
R1
R2
R0
RP1
U*
RP2
U
+
-
R0
R1
-
Uct
-
+
Bộ
KĐCS
điều
+
OA1
OA2
Ud
MS
Khiển
được
đ
n
Bộ giảm
Vô lăng
Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động vị trí kiểu chiết áp
+ Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do bộ khuếch đại OA1, OA2 tạo thành,
Anten rada
trong đó bộ khuếch đại OA1 chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn bộ khuếch đại OA2 có
tác dụng so sánh và khuếch đại điện áp. Tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ
khuếch đại công suất kế tiếp, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp.
+ Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để dẫn động động cơ chấp hành của hệ
thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chưa đủ, còn phải khuếch đại công suất,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
công suất khuếch đại do Thyristor hoặc do bóng bán dẫn công suất lớn tạo thành
mạch điện chỉnh lưu, điện áp do nó đưa ra mới đủ khởi động động cơ SM.
+ Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám SM để dẫn động cơ cấu chấp hành mang
phụ tải (dàn anten rađa), giữa động cơ và phụ tải còn phải phối hợp ăn ý với bộ
giảm tốc.
Bốn bộ phận trên đây không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều khiển tuỳ
động vị trí. Song chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví dụ có
thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ bám khác nhau (một chiều
hay xoay chiều)…
b.Nguyên lý làm việc
Từ hình 1-1 ta có thể thấy, lúc vị trí trục quay hai chiết áp RP1 và RP2 là như
nhau, góc cho trước đ và góc phản hồi bằng nhau, vì vậy độ lệch góc = đ -
= 0, điện áp ra của chiết áp U* = U, điện áp đầu ra bộ khuếch đại điện áp Uct =0,
điện áp đầu ra của bộ khuếch đại công suất đảo chiều Ud = 0, tốc độ quay của động
cơ điện n = 0, hệ thống ở trạng thái tĩnh. Khi quay bánh điều khiển, làm cho góc cho
trước tăng lên, > 0, thì U* > U, Uct > 0, Ud > 0, tốc độ quay của động cơ n > 0,
qua bộ giảm tốc làm anten rađa quay, anten thông qua cơ cấu làm quay trục chiết áp
RP2 khiến cho cũng tăng lên. Chỉ cần < đ thì động cơ luôn luôn quay theo
chiều để ra đa thu hẹp độ lệch, chỉ có lúc đ = , độ lệch = 0, Uct = 0, Ud = 0 hệ
thống mới ngừng quay rồi ở vào trạng thái ổn định mới ( trạng thái xác lập).
Nếu góc cho trước đ giảm xuống, thì chiều chuyển động của hệ thống sẽ
ngược lại với trường hợp trên. Rõ ràng là hệ thống này hoàn toàn có thể thực hiện
được yêu cầu đại lượng điều khiển bám đuổi chính xác đại lượng cho trước đ.
I. 3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc
Thông qua phân tích ở trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống
nhau giữa hệ thống tuỳ động vị trí (hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều tốc. Cả hai
đều là hệ thống phản hồi, tức là thông qua việc so sánh lượng đầu ra của hệ thống
với lượng cho trước tạo dựng mạch vòng kín điều khiển, vì vậy nguyên lý của hai
hệ thống này là giống nhau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Đại lượng cho trước của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho tình trạng nhiễu
động như thế nào, đều mong muốn đại lượng đầu ra không thay đổi, vì thế chất
lượng chống nhiễu của hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất. Còn hệ thống tuỳ động
thì chỉ lệnh vị trí là thường xuyên thay đổi, là đại lượng “thay đổi tuỳ cơ”, yêu cầu
lượng ra bám đuổi chính xác theo sự biến hoá của lượng cho trước, tính nhanh nhạy,
tính linh hoạt, tính chính xác thích nghi đầu ra trở thành đặc trưng chủ yếu của hệ
thống tuỳ động. Hay nói cách khác chất lượng bám đuổi là chỉ tiêu chủ yếu của hệ
thống này.
Từ hình 1-1 ta có thể thấy, hệ thống tuỳ động có thể xây dựng trên cơ sở hệ
thống điều tốc cài thêm mạch vòng vị trí, mạch vòng vị trí là đặc trưng cấu trúc chủ
yếu của hệ thống tuỳ động. Vì vậy hệ thống tuỳ động thường phức tạp hơn hệ thống
điều tốc.
I.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí
Theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật đã xuất hiện rất nhiều loại hình hệ
thống tuỳ động. Bởi vì đặc trưng cơ bản của hệ thống tuỳ động vị trí thể hiện ở
mạch vòng vị trí, thể hiện ở tín hiệu cho trước của vị trí và tín hiệu phản hồi vị trí
cùng với các mặt so sánh tổng hợp của hai tín hiệu này. Vì vậy có thể căn cứ vào
đặc trưng đó để phân nó ra thành hai loại chính đó là hệ thống tuỳ động mô phỏng
và hệ thống tuỳ động kiểu số.
I.4.1. Hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng
Hình 1-1 là một ví dụ về hệ thống tuỳ động vị trí mô phỏng chuyển vị góc,
các loại tham số trong hệ thống này đều là đại lượng mô phỏng thay đổi liên tục, bộ
đo kiểm vị trí của nó có thể dùng bộ chiết áp, máy tự chỉnh góc, bộ biến áp quay, bộ
cảm ứng đồng bộ. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mô phỏng điển
hình còn được thể hiện trên hình 1-2, thông thường trên cơ sở của hệ thống điều tốc
còn bổ xung thêm một mạch vòng vị trí, nguyên lý làm việc của nó giống như hình
1-2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Vị trí
cho
trước
Vị trí
bộ điều
tiết
Bộ điều
khiển tốc
độ
Khuếch
đại công
suất
đ
CKT
SM
+
-
Vị trí
đo kiểm
Phụ
tải
Bộ giảm
tốc
Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng
Máy cắt theo khuôn dùng cách áp tựa khuôn mẫu đưa ra chỉ lệnh vị trí là một
ví dụ thực tiễn ứng dụng hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mô phỏng.
I.4.2. Hệ thống tuỳ động kiểu số
I.4.2.1. Hệ thống tuỳ động kiểu pha số
Hệ thống điều khiển góc pha số như hình 1-3, đây là một loại hệ thống tuỳ
động dùng rộng rãi trong máy công cụ điều khiển số, về thực chất nó là một hệ
thống điều khiển phản hồi của mạch vòng kín góc pha ( hay còn gọi là mạch vòng
kín khoá pha). Mạch vòng vị trí của nó gồm có ba bộ phận là mã số vị trí góc pha
cho trước, mã số vị trí góc pha phản hồi và mã số so sánh góc pha, tức là ba bộ
phận gồm các chữ số cho trước, bộ đo kiểm vị trí và bộ nhận dạng góc pha như
trong hình 1-3.
Nhiệm vụ của bộ mã số cho trước biến thành xung số, sau đó lại qua mã số
góc pha biến đổi (D/A), nếu xuất hiện một lệnh phát xung thì nó sẽ đưa ra một
đương lượng xung vượt trước hoặc chậm sau góc pha cho trước đ của điện áp
sóng chữ nhật, đại lượng xung tương đương này có thể băm ra rất nhỏ để giữ cho
hệ thống có độ chính xác rất cao. Một loạt xung xuất hiện sẽ làm góc pha trước của
điện áp dịch chuyển theo một tốc độ nào đó trước hoặc chậm, tốc độ của nó phụ
thuộc vào tần số xung.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Bàn máy
Bộ điều
khiển tốc
độ
D
đ
Động cơ
chấp
hành
Số liệu
cho trước
Bộ nhận
diện pha
A
Vị trí đo kiểm
(Bộ đồng bộ cảm ứng)
Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số
Bộ phận đo kiểm vị trí sinh ra phản hồi góc pha, chức năng của nó là biến
đổi chuyển vị của bàn máy thành chuyển vị góc pha của điện áp có xung chữ
nhật cùng với tần số xung chữ nhật cho trước, có thể dùng bộ đồng bộ cảm ứng để
thực hiện sự chuyển đổi chuyển vị – góc pha, độ chính xác của nó có thể đạt tới
0.001m, vì thế góc pha của nó có thể phản ánh chính xác vị trí thực tế của máy.
Chức năng chủ yếu của bộ diện pha là so sánh góc pha cho trước đ với góc
pha phản hồi , đổi độ lệch của chúng = đ - thành điện áp mô phỏng, cực
tính của điện áp mô phỏng này phải phù hợp với cực tính của sai số góc pha.
Lượng đầu ra của bộ nhận diện pha sau khi biến đổi sẽ trở thành đại lượng cho
trước của bộ điều tốc, sau khi phóng đại công suất động cơ điều khiển và bàn thao
tác của máy sẽ dịch chuyển theo hướng loại bỏ sai số, vì vậy làm cho luôn bám
sát đ, tức là làm cho bàn máy thao tác tuân theo chỉ lệnh của yêu cầu chuyển động.
Bộ nhận diện có thể làm thành dạng số, như vậy độ chính xác của hệ thống
có thể đạt tới mức cao hơn. Lúc mạch vòng kín góc pha làm việc, vị trí của cơ cấu
chấp hành chịu sự điều khiển của tín hiệu cho trước, góc pha của tín hiệu phản hồi
bị khoanh lại trong một phạm vi góc pha nhất định của tín hiệu cho trước, vì thế hệ
thống này còn được đặt tên là hệ thống tuỳ động điều khiển mạch vòng khoá pha.
Dù cho hệ thống tuỳ động số kiểu góc pha này trên thực tế làm việc theo cách so
sánh, nhưng vì sử dụng tần số cao (tần số được sử dụng của bộ nhận dạng đều lớn
hơn 1000Hz, chu kỳ nhỏ hơn 1ms) tính nhanh nhậy của nó không thua kém hệ
thống mô phỏng nói chung.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
I.4.2.2. Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số
Bàn máy
D*
D
Bộ thuật
toán đảo
chiều
Động cơ
chấp
hành
Bộ điều
khiển tốc
độ
Số liệu
cho trước
A
D
Vị trí đo kiểm
(Cảm biến quang trở)
Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển xung số
Trong hệ thống tuỳ động điều khiển tham số, tín hiệu cho trước là chỉ lệnh
xung D*, với chức năng cực lưới phát ra xung số D, chúng có thể lần lượt đi vào đầu
phép cộng hoặc phép trừ của thuật toán đảo chiều. Sau khi tính toán sẽ tính được độ
lệch của xung D = D*- D + Do, trong đó Do là hằng số nhằm khắc phục ảnh hưởng
của độ lệch kim chỉ 0 trong bộ khuếch đại tới bộ thuật toán. Tín hiệu sai lệch này
khi qua chuyển đổi mô phỏng trở thành tín hiệu cho trước của bộ điều tốc, lại qua
bộ khuếch đại công suất, làm cho động cơ và bàn thao tác của máy chuyển động
theo hướng loại bỏ sai số. Nhờ độ chính xác của cảm biến quang trở rất cao nên hệ
thống này có thể đạt được độ chính xác điều khiển rất cao.
I.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số
Bàn máy
Số liệu D*
cho trước
Bộ điều
khiển tốc
độ
D
Bộ thuật
toán đảo
chiều
Động cơ
chấp
hành
A
D
Vị trí đo kiểm
(Đĩa mã quang điện)
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Trong hệ thống này, lượng cho trước thường là tín hiệu mã số nhị phân. Linh
kiện đo kiểm là đĩa mã số quang điện hay bộ phát xung phản hồi kiểu số khác, dựa
vào mạch điện chuyển đổi nhận được tín hiệu mã số nhị phân, gắn kết lại tạo thành
bộ chuyển đổi “góc- số” hoặc bộ chuyển đổi “chuyển vị – số”. Tín hiệu đầu ra và tín
hiệu mã số của nó đồng thời nhập vào máy tính tiến hành so sánh và xác định sai số,
theo một quy luật chuyển đổi nhất định ( như chuyển đổi PID), tạo nên tín hiệu hiệu
chỉnh kiểu số, sau đó lại chuyển đổi số thành tín hiệu điện áp, lấy đó làm giá trị cho
trước của bộ điều tốc. Lúc sử dụng máy tính điều khiển, quy luật điều khiển của hệ
thống có thể được thay đổi dễ dàng thông qua thay đổi phần mềm, nhờ vậy độ linh
hoạt của phương pháp điều khiển được tăng lên rất nhiều.
Dù cho hệ thống tuỳ động là kiểu mô phỏng hay kiểu số thì cấu trúc mạch
vòng kín của chúng cũng có thể có nhiều dạng khác nhau. Ngoài những dạng này
hay dùng của hệ thống ba mạch vòng vị trí, tốc độ, dòng điện còn có thể sử dụng
những phương pháp khác: Hoặc là chỉ có mạch vòng vị trí, mạch vòng tốc độ mà
không có mạch vòng dòng điện; hoặc là chỉ có mạch vòng vị trí, mạch vòng dòng
điện mà không có mạch vòng tốc độ; hoặc là chỉ có một mạch vòng vị trí. Các
phương án khác nhau có ứng dụng riêng của nó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
CHƢƠNG II ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ
Sự khác biệt giữa hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc đầu tiên là ở
đo kiểm tín hiệu. Bởi vì đối tượng điều khiển trong hệ thống tuỳ động vị trí phần
lớn là chuyển vị dài hay chuyển vị góc, lúc cấu tạo thành hệ thống tuỳ động vị trí
nhất thiết phải chuyển đổi đại lượng đo kiểm vị trí thành đại lượng điện thông qua
thiết bị đo kiểm vị trí. Loại thiết bị này thường dùng như sensin, bộ biến áp quay, bộ
đồng bộ cảm ứng, đĩa mã quang điện.
II.1. SENSIN (BS)
Sensin là một bộ cảm biến chuyển vị góc, trong hệ thống tuỳ động thường
dùng theo từng cặp đối nhau. Khi đưa nó nối tiếp với sensin thì có tên là máy phát
tin, khi nối với trục cơ cấu chấp hành thì có tên là máy nhận tin.
Theo công dụng, sensin được chia thành hai loại là kiểu mômen và kiểu điều
khiển.
+ Sensin kiểu mômen có thể không qua khâu khuếch đại trung gian mà trực
tiếp truyền tín hiệu chuyển vị góc, có thể làm cho hai trục ở xa nhau vận hành đồng
bộ mà không có mối liên hệ cơ khí trực tiếp. Phụ tải của Sensin kiểu mômen thường
là kim đồng hồ đo thuộc loại hệ thống quay đồng bộ công suất nhỏ. Đối với phụ tải
công suất lớn hơn thì máy tự chỉnh góc kiểu mômen không thể làm cho nó quay
được và phải dùng máy tự chỉnh góc kiểu điều khiển. Nối máy nhận tin tự chỉnh góc
thành trạng thái bộ biến áp, mà đầu ra của nó phải thông qua khâu khuếch đại trung
gian để dẫn động phụ tải, tạo thành hệ thống tuỳ động sensin.
+ Ta đi tìm hiểu và phân tích nguyên lý làm việc Sensin một pha (như hình
2-1).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
Cuén
d©y
Stato
Cuén
d©y
Roto
~u
f
Hình 2-1 Nguyên lý cấu tạo Sensin
Sensin gồm một tổ cuộn dây kích từ một pha và một tổ cuộn dây chỉnh bước
ba pha. Tổ cuộn dây kích từ lắp đặt trên rôto, cực từ kích thích thường làm thành
dạng cực ẩn. Như vậy có thể làm cho trở kháng đầu vào không thay đổi theo vị trí
của rôto, tổ cuộn dây chỉnh bước là tổ cuộn dây ba pha, thường được quấn rải, lắp
trên stator lệch pha nhau 120o đấu theo hình sao.
Sensin kiểu điều khiển dùng để biến đổi điện áp góc quay. Lúc sử dụng lấy
ba dây dẫn đấu đầu ra cuộn dây stator của hai máy tự chỉnh góc với nhau, tổ cuộn
dây rôto của máy phát tin BST nối với nguồn điện kích từ xoay chiều một pha, còn
đầu ra tổ cuộn dây rôto máy nhận tin BSR là điện áp tín hiệu ubs của chuyển vị góc,
như trên hình 2-2.
~u
f
ia
a1
u
'
a2
bs
e1a
o
o'
e1b
b1
c2
b2
c1
e1c
bst
bsr
ic
ib
Hình 2-2 Mạch điện Sensin kiểu điều khiển
Công thức biểu thị điện áp kích từ xoay chiều một pha uf của máy phát tin là:
Uï
t
Um Sint
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
Dòng điện do nó gây nên sinh ra từ thông f trong lõi sắt của máy phát tin,
kéo theo là sức điện động cảm ứng e1a, e1b, e1c trên ba cuộn dây OA1, OB1, OC1. Các
sức điện động này về mặt thời gian là đồng pha, độ lớn của chúng tỷ lệ với thành
phần từ thông f tương ứng trên các cuộn dây, nghĩa là tỷ lệ thuận với cosin của
góc gồm giữa đường tâm trục tổ cuộn dây kích từ rôto và trục tổ các cuộn dây trên
stato. Nếu bỏ qua sụt áp trở kháng rôto máy phát tin, đồng thời đặt đường trục OA1
của tổ dây pha A1 tại vị trí 0, lúc đường tâm trục tổ cuộn dây rôto bắt đầu từ vị trí 0
quay đi một góc 1, thì sức điện động cảm ứng của tổ cuộn dây 3 pha máy phát tin
là:
e1a = kbs Ufm sin ωtcosθ1
o
(
(
)
)
e1a = kbs Ufm sin ωtcos 120 - θ1
o
e1a = kbs Ufm sin ωtcos 120 + θ1
Trong đó, kbs là hệ số tỷ lệ giữa sức điện động tổ cuộn dây stato và sức điện
động tổ cuộn dây rôto, liên quan tới tham số cuộn dây.
Ba sức điện động này sẽ sinh ra sức dòng điện trong các cuộn dây stato của
máy phát tin và máy nhận tin, bởi vì 3 cuộn dây như nhau, nên về mặt thời gian mà
nói 3 dòng điện này vẫn bằng nhau, chỉ có độ lớn biên độ là khác nhau, 3 dòng điện
trong hình 2-2 lần lượt là:
kbs Uïm
(
)
ia =
ia =
ia =
sin ωt-α cosθ1
Z
kbs Uïm
Z
o
(
)
(
)
sin ωt -α cos 120 -θ1
kbs Uïm
Z
o
(
)
(
)
sin ωt - α cos 120 + θ1
Trong đó: +Z là tổng trở kháng của các cuộn dây trên stato máy phát tin và
máy nhận tin, với Z= R + jX
+ R là tổng điện trở của các cuộn dây trên stato máy phát tin và
máy nhận tin
+ X là tổng điện kháng của toàn bộ các cuộn dây trên stato máy
phát tin và máy nhận tin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
Nếu góc trở kháng là thì α = tg-1
X
R
Khi số vòng của 3 tổ cuộn dây là như nhau, bố trí lệch nhau 120o thì điện
kháng X của 3 cuộn dây là bằng nhau.
Sau khi dòng điện xoay chiều chạy vào các cuộn dây Stator của máy nhận
tin, các cuộn dây đó sẽ trở thành cuộn kích từ, sức từ động trên phương của trục 3 tổ
cuộn dây lần lượt là:
(
)
F2a =Fsin ωt -α cosθ1
o
(
)
(
(
)
)
F2a =Fsin ωt -α cos 120 -θ1
o
(
)
F2a =Fsin ωt -α cos 120 + θ1
Trong đó: F-giá trị biên độ sức từ động của hệ số liên quan bao gồm giá trị dòng
KbsUïm
điện
, số vòng quấn của các pha Stator. Ba sức điện động này sinh ra ba
Z
thành phần tương ứng trên đường trục của tổ cuộn dây rôto lần lượt là:
F2,a =F2a cos θ2
,
o
(
(
)
)
F2b =F2a cos 120 - θ2
,
o
F2c =F2a cos 120 + θ2
Sức từ động tổng hợp trên đường trục tổ cuộn dây trên rôto máy nhận tin là:
F F, F, F,
2
2a
2b
2c
Sức từ động tổng hợp trong lõi sắt từ sinh ra từ thông tổng hợp 2, sau đó trong
cuộn dây rôto máy nhận tin sinh ra điện áp cảm ứng ubs, điện áp này về mặt thời
gian vượt trước từ thông 2 một góc 90o, vì vậy:
ubs= Ubsmsin(t- + 90o)cos(1- 2)
Trong đó: Ubsm- là giá trị cực đại của điện áp đầu ra ubs
Từ biểu thức (2-1) có thể thấy:
(2-1)
(1)Điện áp đầu ra ubs của máy tự chỉnh góc là hàm số cosin của sai số góc,
ubs
lúc 1=2, cos(1- 2) = 1,
là cực đại.
(2)ubs là điện áp xoay chiều một pha, về mặt thời gian nó vượt trước điện áp
kích từ Uf trên rôto máy phát tin một góc là (90o- ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
Nhưng quan hệ ở (1) không tiện dụng, vì khi sai số góc = 1- 2= 0,
điện áp đầu ra lại là cực đại và tăng theo sai số góc, điện áp đầu ra giảm xuống. Còn
trong thực tế sử dụng, thường mong muốn khi sai số góc = 0, điện áp đầu ra
cũng bằng không. Mặt khác khi 2 vượt trước 1, sai số góc < 0, nhưng bởi vì
cos(-) = cos, nghĩa là góc pha của điện áp ubs không phản ánh đúng cực tính
của sai số góc. Vì vậy, lúc lấy đường trục A1 của tổ cuộn dây stator làm vị trí 0 của
máy phát tin, tổ cuộn dây rôto máy nhận tin cho vượt trước 90o, đồng thời đặt
đường tâm trục A2 của tổ cuộn dây stator ở vị trí vuông góc đổi thành vị trí 0 của
máy nhận tin như trên hình 2-3.
~u
f
a1
u
'
a2
bs
o
o'
c2
b2
c1
b1
bst
bsr
Hình 2-3 Vị trí 0 của máy tự chỉnh góc
, 0
Trong hình 1 = 0 là vị trí 0 của máy phát tin,
là vị trí 0 của máy nhận
2
, 90o
tin, thì
ban đầu của máy nhận tin thay vào biểu thức 2-1 sẽ có:
t 90o 1 2, 90o t 90o
.cos Ubsm sin sin
Cũng có thể viết thành:
2
2
ubs Ubsm sin
1 2,,
o
(
)
(
)
ubs =Ubsm sin Δθsin ωt + 90
2 - 2
1 2,
Trong đó: - góc mất điều chỉnh,
Như vậy lúc góc mất điều chỉnh = 0, điện áp đầu ra cũng bằng không,
cũng rất phù hợp với yêu cầu thực tế, đồng thời cũng có thể thấy giá trị biên độ của
điện áp đầu ra ubs không liên quan gì đến vị trí tuyệt đối của bản thân máy phát tin
và máy nhận tin, mà chỉ tỷ lệ thuận với sin của góc mất điều chỉnh .
Máy tự chỉnh góc phân ra ba cấp chính xác là 1,2,3, sai số nằm trong khoảng
0.250 đến 0.750.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
II.2. BỘ BIẾN ÁP QUAY (BR)
Bộ biến áp quay trên thực tế là một máy điện quay hai pha chế tạo đặc biệt,
nó có hai bộ phận là Stato và Rôto,
trên hai bộ phận này có lắp hai cuộn
ubr
dây trực giao nhau trong không gian.
Lúc Rôto quay, vị trí tương đối của hai
r1
cuộn dây này cũng thay đổi theo làm
u2
s2
r2
s1
u1
cho điện áp đầu ra và góc quay của
Rôto có mối quan hệ hàm số. Trong
các hệ thống điều khiển tự động, máy
biến quay có nhiều kiểu loại khác nhau
và có những công dụng khác nhau và
Hình 2-4 Bộ biến áp quay dùng làm bộ biến
đổi góc quay- góc pha
có những công dụng khác nhau, riêng trong hệ thống tuỳ động nó được dùng làm
cảm biến chuyển vị góc.
Hình 2-4 là sơ đồ nguyên lý bộ biến áp quay, hai cuộn dây S1 và S2 lần lượt
được kích từ bởi hai điện áp xoay chiều hình sin u1, u2 với biên độ hai góc pha bằng
nhau, lệch pha nhau 900, nghĩa là:
ut(t) = Umsinot
uz(t) = UmCosot
Để đảm bảo độ chính xác đo kiểm của bộ biến áp kiểu quay, yêu cầu hai
dòng điện kích từ trên hai pha phải thực sự cân bằng, nghĩa là độ lớn bằng nhau,
lệch pha 900, vì thế trong khe hở điện từ tạo ra từ trường quay tròn. Điện áp cảm
ứng sinh ra trong cuộn dây R1 của rôto là:
( )
[
( )
( )
]
(
)
(
)
ubt t = m ur t cos θ+uz t sin θ = mUm cos ωot +θ
2-3
Trong đó: m- tỷ số vòng quấn có ích của cuộn dây trên rôto và cuộn dây trên
stato.
Từ công thức (2-3) có thể thấy, biên độ điện áp đầu ra ubr của bộ biến áp
quay không thay đổi theo góc quay , mà góc pha của nó bằng góc quay này. Vì thế
có thể coi bộ biến áp quay là một bộ biến đổi góc quay- góc pha. Lấy điện áp điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
pha làm tín hiệu phản hồi có thể tạo nó thành hệ thống tuỳ động điều khiển góc
pha.
Nếu muốn kiểm tra sai số góc giữa trục cho trước với trục cơ cấu chập hành,
cũng giống như máy tự chỉnh góc dùng một cặp bộ biến áp quay nối liền trục cho
trước với bộ phát tin biến áp quay BRT, nối trục cơ cấu chấp hành với bộ nhận tin
biến áp quay BRR. Cách nối dây như trên hình 2-5.
Đưa điện áp kích từ xoay chiều uf lên một tổ cuộn dây bất kỳ của rôto, còn
tổ cuộn dây kia được nối ngắn mạch hoặc nối tiếp với một điện trở xác định làm
nhiệm vụ bù. Từ thông thành phần r1, r2 trong bộ nhận tin, chúng hợp thành từ
thông r. Nếu vị trí rôto của hai biến áp quay đồng nhất, thì từ thông r sẽ song song
với cuộn dây R2r của rôto bộ nhận tin, sức điện động cảm ứng trong R2r sẽ cực đại.
Khi R2r và r tồn tại sai số góc điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với cos, lúc đó đầu ra là
sóng điều biên, với giá trị biên điện áp là Ubr = kUfcos
Trong đó: k – hệ số biến đổi giữa bộ nhận tin biến áp quay và bộ phát tin.
Lúc lắp đặt, nếu trước đó đã cài sẵn cho rôto bộ nhận tin quay đi một góc 900
thì giá trị biên điện áp đầu ra Ubr có thể viết thành:
Ubr=kUfcos(- 900) = kUfsin
(2-4)
Như vậy, Ubr có thể phản ánh cực tính của sai số góc và có hệ thức tương tự
như điện áp đầu ra của máy tự chỉnh góc.
r1i
r2i
r1r
r2r
s2r
s2i
~u
u
f
br
f
r
f2
r2
s1i
s1r
brt
f1
brr
r1
Hình 2-5 Thiết bị đo kiểm sai số góc do biến áp quay tạo thành
Độ chính xác của bộ biến áp quay được đánh giá chủ yếu bởi sai số hàm số
và sai số vị trí 0. Sai số hàm số biểu thị tỷ số giá trị chênh lệch cực đại của đồ thị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
điện áp đầu ra và đường cong hình sin với giá trị biên độ điện áp kUf độ chính xác
của bộ biến áp quay phân thành bốn cấp 0, I, II, III. Sai số hàm số thường trong
khoảng ± 0,05% ± 0,34%. Sai số điểm 0 biểu thị sai số điểm 0 lý thuyết và sai số
và vị trí giá trị cực tiểu của điện áp thực tế, thường nằm trong khoảng 3‟ 8‟. Từ
những số liệu trên đây có thể thấy, độ chính xác của bộ biến áp quay cao hơn so với
máy tự chỉnh góc, vì thế trong hệ thống tuỳ động kiểu số độ chính xác cao thường
dùng nó làm linh kiện đo góc. Nếu muốn nâng cao thêm độ chính xác đo kiểm còn
có thể dùng nguyên lý ghép nối một bộ đo thô, một bộ đo tinh để tạo thành hệ thống
đo kiểm.
II.3. BỘ CẢM ỨNG ĐỒNG BỘ (BIS)
Nguyên lý làm việc của bộ đồng bộ cảm ứng giống như bộ biến áp quay. Nó
có hai loại cấu trúc, một loại dùng để đo chuyển vị góc gọi là bộ đồng bộ cảm ứng
tròn xoay; còn một loại là dùng để đo chuyển vị dài gọi là bộ đồng bộ cảm ứng
đường thẳng.
Bộ đồng bộ cảm ứng được dùng rất nhiều trong thực tế, điển hình về sự ứng
dụng của loại đo chuyển vị góc là bộ hiển thị số và định vị chính xác dùng trong
mâm quay máy công cụ (như máy tiện đứng); ứng dụng điển hình của loại đo
chuyển vị dài là hệ thống đo kiểm vị trí bàn dao chuyển động tịnh tiến ở máy công
cụ. Sau đây chỉ giới thiệu sơ lược về cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ đồng bộ
cảm ứng đường thẳng.
Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng do hai linh kiện phân đôi cảm ứng
tạo thành. Một là thước trượt, hai là thước cố định tương tự như rôto và stato trong
bộ biến áp quay, nhưng có điểm khác là chuyển động tương đối ở đây là chuyển
động thẳng. Thông thường thước cố định lắp đặt trên thân máy hoặc trên bộ phận cố
định với thân máy, còn thước trượt lắp trên bàn xe dao hoặc trên bộ phận có chuyển
động tương đối với thân máy. Khe hở giữa thước trượt và thước cố định rất nhỏ
(0,25 ± 0,005mm). Trên thước cố định được khắc chia rất tinh tế bằng mạch in tạo
thành một bộ cuộn dây, tương đương với tổ cuộn dây đầu ra của bộ biến áp quay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Trên thước trượt khắc hai bộ cuộn dây, một bộ gọi là bộ dây hình sin, bộ kia gọi là
bộ dây hình cosin. Khi một trong hai bộ đó trùng khít với cuộn dây trên thước cố
định thì bộ kia sẽ ở cách 1/4 bước (khoảng cách khắc độ), nghĩa là cách nhau 90o
góc quay điện và thể hiện hai tổ cuộn dây vuông góc nhau, như trên hình 2-6.
§iÖn ¸p ®Çu ra
Thuíc
cè
T
4
®Þnh
T = 2 mm
Thuíc
truît
Cuén d©y h×nh sin Cuén d©y h×nh
cosin
Hình 2-6 Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng
Theo trạng thái làm việc, có thể chia hai bộ đồng bộ cảm ứng thành hai loại
là loại nhận biết pha và loại nhận biết biên độ. Nếu làm cho bộ đồng bộ cảm ứng
làm việc ở trạng thái nhận biết pha, chỉ cần cấp cho hai cuộn dây kích từ của thước
trượt điện áp kích từ hình sin có giá trị biên độ bằng nhau, cùng tần số nhưng lệch
pha 90o. Lúc này, với phương pháp phân tích tương tự như ở bộ biến áp quay, có thể
tìm ra được điện áp cảm ứng trên cuộn dây thước cố định là:
2πx
( )
(
)
Ubis t = mUm sin ωot +
2-5
T
Trong đó: x- chuyển vị cơ học
T- bước cuộn dây, ý nghĩa của nó cũng tương tự như bước quấn
trong máy điện thông thường và được tiêu chuẩn hoá.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
Công thức (2-5) chứng tỏ: giá trị biên độ điện áp đầu ra cảm ứng trên cuộn
dây thước cố định đồng bộ cảm ứng không thay đổi theo vị trí, chỉ cần điện áp kích
từ không thay đổi, thì giá trị biên độ của nó sẽ là hằng số, còn góc pha tỷ lệ thuận
với chuyển vị cơ học của thước trượt, cứ cách nhau một bước lặp lại một lần. Bộ
đồng bộ cảm ứng ở trạng thái này trên thực tế là một bộ biến đổi góc quay- pha.
Nếu làm cho bộ đồng bộ cảm ứng làm việc ở trạng thái nhận biết biên độ thì
phải cấp điện áp kích từ Ufsinot cho cuộn dây thước cố định. Lúc này trong cuộn
dây của thước động sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng:
2x
uA (t) m'U f cos
uB (t) m'U f sin
sinot
sinot
T
2x
T
Đem uA(t) nối vào bộ biến đổi hàm số sin, làm cho điện áp đầu ra theo sự
2X
T
2x
T
m'U f cos
sin
điều chế của chuyển vị X cho trước thành dạng
, sau đó
sin0t
lấy uB(t) nối với bộ biến đổi hàm cosin, làm cho đầu ra biến thành
2x
T
2X
T
m'U f cos
sin
sin0t . Sau đó lấy hai tín hiệu này trừ cho nhau làm tín hiệu
đầu ra để điều khiển, sẽ có:
2X
T
2x
T
2x
T
2X
T
ub' is
t
m'U sin t sin
cos
sin
cos
f
0
2
T
m'U f sin0t sin
X x
26
Từ biểu thức trên có thể thấy biên độ điện áp đầu ra được điều biên theo (X-
x), lúc hệ thống vận hành ở giá trị sai số bằng 0 ( góc quay tương đối của giá trị sai
số nằm trong phạm vi 2) điện áp đầu ra cũng bằng không.
Hệ thống tuỳ động do hai trạng thái làm việc của bộ đồng bộ cảm ứng tạo
nên đều có thể đạt độ chính xác rất cao, đó là vì điện áp cảm ứng đầu ra do chuyển
động tương đối giữa thước trượt và thước cố định trực tiếp sinh ra, không qua một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
cơ cấu trung gian nào. Vì vậy độ chính xác đo lường hoàn toàn phụ thuộc vào độ
chính xác của bản thân bộ đồng bộ cảm ứng. Bộ đồng bộ cảm ứng thường được chế
khắc bằng quang học bởi những thiết bị tinh vi chuyên dùng với độ chính xác rất
cao (1m). Độ chính xác của bộ đồng bộ cảm ứng tròn xoay đạt cấp giây ( ), trong
phạm vi 0,51,2 còn bộ biến áp quay chỉ đạt cấp chính xác phút ().
II.4. ĐĨA MÃ QUANG ĐIỆN
Đĩa mã quang điện có thể trực tiếp chuyển đổi chuyển vị góc thành tín hiệu
số, nó là một thiết bị mã trực tiếp. Cũng giống như bộ biến áp quay, nó thường dùng
trong hệ thống mạch vòng kín lắp trên trục quay của máy công cụ điều khiển số.
Theo nguyên lý mã hoá phân thành hai loại là kiểu gia số và kiểu trị tuyệt đối.
II.4.1. Đĩa mã kiểu gia số.
Đĩa mã gia số thực chất là kết hợp của bộ phát xung quang điện và máy đếm
đảo chiều. Trên đĩa tròn bộ phát xung quang điện có khắc các rãnh nhỏ ở khoảng
cách bằng nhau, ngoài ra còn có hai tập hợp rãnh nhỏ đo kiểm a, b (như trên hình 2-
7a), với khoảng cách như trên, nhưng hai nhóm khe hở đo kiểm này lệch 1/4 bước
so với vị trí tương ứng của khe hở trên đĩa tròn, mục đích là để tạo ra góc lệch pha
90o giữa hai tín hiệu đầu ra của hai bộ biến đổi quang điện a, b. Trục của đĩa tròn và
trục đo nối với nhau, còn hai tổ khe hở đo kiểm thì đứng yên. Khi quay trục đo, hai
bộ biến đổi biến đổi quang điện sẽ tạo thành sóng gần như hình sin lệch pha nhau
90o như trên hình 2-7b.
Sau khi xử lý mạch điện một cách khá đơn giản có thể nhận được tín hiệu
xung tương ứng. Khi đĩa tròn quay theo chiều thuận (trong hình vẽ là chiều mũi
tên), tín hiệu b vượt trước tín hiệu a một góc 90o, đầu ra của mạch điện lôgíc f đưa
ra tín hiệu xung; lúc đĩa tròn quay chiều nghịch tín hiệu a vượt trước tín hiệu b một
góc 90o mạch điện lôgíc đưa ra tín hiệu xung ngược
Nếu đưa những tín hiệu này cho máy đếm đảo chiều tiến hành tính toán
thống kê là có thể đo được góc quay của trục.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
®Üa ®ôc lç
nhãm lç ®o kiÓm b
nhãm lç ®o kiÓm a
a,
i a b
i
b
a
0
0
t
t
a
a
b
c
b
c
d
e
d
e
f
f
g
g
b,
Hình 2-7 Nguyên lý làm việc đĩa mã quang điện kiểu gia số
a,Sơ đồ nguyên lý; b,Đồ thị lượng ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
II.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối
Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối biểu thị vị trí của trục nhờ vào dọc hình vẽ đĩa mã
lắp trên trục. Cách mã hoá thường dùng chế độ nhị phân hoặc chế độ nhị thập phân
(BCD) hoặc mã tuàn hoàn.
II.4.2.1. Đĩa mã nhị phân
Trong đĩa mã nhị phân, tầng ngoài cùng là vị số thấp nhất, tầng trong cùng là
vị số cao nhất. Từ ngoài vào trong, chế khắc theo chế độ nhị phân, như trên hình 2-
8a. Số mã hoá và vị trí của trục được đối chiếu trong bảng 2-1. Lúc đĩa mã quay, có
thể sinh ra tình trạng thay đổi đồng thời nhiều hơn hai vị số, dẫn tới có thể xảy ra
“sai số thô”. Chẳng hạn, khi từ mã số 0111 (sô 7 trong hệ thập phân) chuyển sang
1000 ( số 8 trong hệ thập phân), bởi vì bóng quang trở có thể sắp xếp không đều
hoặc đặc tính chế tạo không giống nhau, có thể làm sai lệch vị số cao, vốn là số
1000 biến thành số 0000, sai lệch là 8 đơn vị. Để khắc phục nhược điểm này, trong
chế độ nhị phân hoặc chế độ nhị thập phân, trừ vùng vị số thấp nhất ra, các vùng
khác đều phải “đọc chọn số” theo hai dãy bóng quang trở. Lúc vị số thấp nhất
chuyển từ “1” sang “0” cần tiến vị số, đọc bóng quang trở vượt trước. Lúc từ “0”
chuyển sang “1” không cần tiến vị số, đọc bóng quang trở chậm sau. Lúc này trừ
vùng trị số thấp nhất, cách đọc các số có vị số đối ứng với nó là không đổi.
12
1
12
1
11
2
5
11
2
5
10
9
3
4
10
9
3
4
8
8
7
6
7
6
b,
a,
Hình 2-8 Đĩa mã quang điện kiểu trị tuyệt đối
a, Đĩa mã chế độ nhị phân; b, Đĩa mã chế độ tuần hoàn
II.4.2.2. Đĩa mã tuần hoàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
Đặc điểm của đĩa mã tuần hoàn là giữ hai cánh quạt liền kề chỉ có một mã số
thay đổi, vì vậy lúc đọc số khác chỉ có một bóng quang trở xuất hiện ở vùng giao
nhau. Dù có bị đọc nhầm cũng chỉ nhầm số đơn vị nhỏ nhất, không thể phát sinh sai
số lớn. Ngoài ra, độ rộng vị số thấp nhất mã số tuần hoàn vị số thấp nhất rộng gấp
đôi so với chế độ thập phân, đây cũng là ưu điểm của nó. Nhược điểm của nó là
không thể là các phép tính trực tiếp của chế độ nhị phân, vì vậy trước khi tính toán
cần phải thông qua mạch điện chuyển đổi sang chế độ nhị phân. Đĩa mã tuần hoàn
như trên hình 2-8b, bảng đối chiếu vị trí của trục và mã số cũng cho trong bảng 2-1.
Bảng 2-1 Bảng đối chiếu vị trí trục đĩa mã quang điện và mã số
Vị trí trục
Mã nhị
phân
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
Mã tuần Vị trí trục
Mã nhị
phân
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Mã tuần
hoàn
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
hoàn
0
1
2
3
4
5
6
7
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
8
9
10
11
12
13
14
15
Tỷ suất phân biệt của đĩa mã nhị phân quang điện là 360/N, đối với đĩa mã số
gia N là tổng ghi được khi quay một vòng. Đối với đĩa mã giá trị tuyệt đối, N= 2n, n
là vị số của chữ đầu ra. Tỷ suất phân biệt đĩa mã với sự kết hợp phần đọc thô và đọc
1
tinh đã đạt tới
. Nếu đĩa mã chế tạo hết sức tinh vi thì độ chính xác mã vạch có
220
thể đạt tới mức lượng hoá được sai số. Như vậy, dùng đĩa mã quang điện để đo
kiểm vị trí là có thể nâng cao độ chính xác lên rất nhiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
CHƢƠNG III
THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƢỜNG
Như đã giới thiệu trong chương 1, hệ thống tùy động được ứng dụng rất
nhiều trong thực tế, để minh họa điều này trong chương này thiết kế bộ điều khiển
thông thường cho thiết bị nâng.
III.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NÂNG
III.1.1. Công dụng
-Thiết bị nâng được sử dụng chủ yếu là trục tải và tời trục. Thiết bị nâng có
nhiệm vụ vận chuyển đất đá, xi măng, gạch ngói, than, thiết bị máy móc, nguyên vật
liệu và người.
- Trục tải được trang bị ở giếng đứng, tời trục có công suất lớn được trang bị ở
các giếng nghiêng, tời trục công suất vừa và nhỏ được trang bị trên mặt bằng công
nghiệp.
III.1.2. Phân loại
III.1.2.1. Thiết bị nâng giếng đứng
a. Thiết bị nâng giếng đứng có một thùng nâng không có cáp nối đuôi
- Sơ đồ cấu trúc thiết bị nâng (TBN) giếng đứng có một thùng nâng (Hình 3-
5
1)
3
1- Máy nâng
2- Cáp nâng
1
3- Tang nâng
4- Thùng nâng
2
5- Ròng rọc
H
H- Chiều cao nâng
S-Quãng đường chuyển động
của thùng nâng
4
S
Hình 3-1 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng đứng 1 thùng nâng
không có cáp nối đuôi
- Đối với TBN giếng đứng một thùng nâng không có cáp nối đuôi thì lực cản
trên tang khi nâng hoặc khi hạ theo có tải được tính:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tải về để xem bản đầy đủ
95 trang
20/08/2024
470
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_tong_hop_bo_dieu_chinh_lai_su_dung_trong.pdf
