Các phương pháp và sơ đồ ghép nối vi xử lý - máy tính để điều khiển động cơ điện một chiều

[email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 Ch−ơng 2 các ph−ơng 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 đ−ợc 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 tr−ớc năm 1976 th−ờng sử dụng loại 4 bit nh− 4004, 4040. Khoảng từ những năm 1977 đến 1985 trên thị tr−ờng khá phổ biến loại 8 bít nh− 8080, 8085, Z80... Hiện nay các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao ng−ời ta th−ờng sử dụng các hệ vi xử lý 16 bits hoặc 32 bits. Ph−ơng pháp điều khiển xung Transistor Hình2.1: Sơ đồ nguyên lý ghép nối máy tính điều khiển tốc độ động cơ Trong đó: [email protected] 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 l−u điện áp cho máy phát tốc. Máy tính ngoài chức năng làm bộ so sánh, tạo ch−ơng 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. [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 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 ng−ợc 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 d−ơng làm cho Transistor T1 và T2 dẫn làm cho động cơ sẽ quay theo chiều ng−ợc. Cuộn dây L và tụ C dùng để san bằng điện áp ra của động cơ khi đảo chiều quay. Hiện t−ợng này đ−ợc giải thích nh− 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. Ng−ợc 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) nh−ng 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(E c= 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 ng−ợc : [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 )t(EVU ccng += mà chỉ là : V7,0VU ccng += 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 đ−ợc chỉnh l−u bằng cầu điôt D1 ữ D4 để đ−a và ADC. Phải dùng cầu chỉnh l−u bởi vì động cơ quay thuận nghịch nên điện áp ở máy phát tốc sẽ lúc d−ơng lúc âm tuỳ theo chiều quay của động cơ mà ADC chỉ chịu điện áp analog đ−a vào là lớn hơn 0 do vậy phải dùng cầu chỉnh l−u để đảm bảo điện áp vào ADC là luôn d−ơng. Máy phát tốc chính là đ−ờng phản hồi tốc độ của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ . Ch−ơng trình điều khiển động cơ trong máy tính sẽ tính ra sai lệch E và l−ợng điều khiển U = f (E), sau đó l−ợng điều khiển sẽ đến một ch−ơng trình biến l−ợng điều khiển U thành xung vuông có độ rộng thay đổi còn biên độ và tần số là hằng số. Đây chính là ph−ơng pháp điều chế độ rộng xung vuông. Nếu sai lệch lớn thì l−ợng điều chỉnh U cũng lớn và do đó độ rộng của xung vuông cũng lớn. Giả sử ta đang cho động cơ quay ng−ợc ở của vào U2 ta có xung d−ơng 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 đ−ợc 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. Ph−ơng pháp điều khiển động cơ một chiều bằng máy tính và bộ biến đổi Thyristor Sơ đồ điều khiển kinh điển [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 Tr−ớc 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 l−u 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 c−a. 3: Bộ so sánh. 4: Bộ khuếch đại xung công suất. 5: Biến áp xung (BAX). 6: Thyristor. [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 Các điôt D1 ữD4 tạo thành mạch chỉnh l−u l−ới điện 50Hz. Điện áp một chiều sau bộ chỉnh l−u này đ−ợc đ−a tới khâu đồng pha (1) để tạo ra xung răng c−a. Để tạo ra xung răng c−a ta lấy tín hiệu từ khâu đồng pha (1) đ−a 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 l−u. Khi T1 khoá, tụ C1 đ−ợc 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 s−ờn xung phía tr−ớc thoải, s−ờn xung phía sau dốc đứng (trên biểu đồ thời gian ta vẽ cho tr−ờng hợp lý t−ởng hoá). Đỉnh xung răng c−a 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 c−a 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. Nh− vậy góc α sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của điện áp chủ đạo. Rf làm nhiệm vụ giảm dòng đ−a 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 [email protected] 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 c−a (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 d−ơng đ−a 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 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 Ch−ơng trình điều khiển trong máy tính sau khi đã đ−ợc 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 đ−a ra ngoài qua bộ biến đổi D/A tới bộ khuếch đại công suất và biến áp xung để điều khiển Thyristor. [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42 [email protected] Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 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 l−u công suất lớn D1 ữ D4, Thyristor (Th) các điôt chỉnh l−u, cuộn kháng L... Khi xây dựn xong ch−ơng 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 l−u D1 ữ D4 sẽ cho một điện áp chỉnh l−u 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 ch−a phát ra điện nh−ng 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 đ−a vào bộ biến đổi A/D. Ch−ơng 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 l−u 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.