Giáo trình hướng dẫn các thủ thuật để điều chỉnh hệ thống băng chuyền công nghiệp phần 5 pps

37
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG
BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA

Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến
ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều
khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổ
i tần số nguồn
cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ
khác là thiết bị điều khiển.
3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín
Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân
dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống
ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn
địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra
của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thố
ng điều khiển mạch vòng kín
ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1

Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ
ĐTĐK là đối tượng điều khiển
TBĐK là thiết bị điều khiển
u là tín hiệu đặt đầu vào
y là tín hiệu đầu ra
e là sai lệch
u
đk
là tín hiệu điều khiển

38
Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay
tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị
thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ
thực so với tốc độ đặt.
Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu
ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và
nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu
vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và
thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển u
đk
để điều khiển đối tượng
điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào.
3.2 Cảm biến tốc độ
Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo
được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm
biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ.
Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp
khác nhau và mỗi một phươ
ng pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau.
Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ
Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday:

d
e=-
dt
φ
(3.1)
Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ

trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng:
Φ(x) =Φ
o
(x).F(x) (3.2)
Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí
theo góc quay.
Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông
đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ

39
tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó
tín hiệu ra của cảm biến.

o
dF(x) dx
e=-
dx dt
φ
(3.3)
Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ
kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ).


Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều


Hình 3.2 Máy phát đồng bộ

Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung
Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa

được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu
hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)…

40
Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một
cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp
một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết
dưới dạng:
f = p.N (3.4)
Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩ
a và N là số vòng
quay của đĩa trong một giây.
Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan
đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó.
- Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ.
- Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật
quay là mộ
t hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một
cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến.
- Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung
gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ.
Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo
của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơ
n thế nữa việc xử lý tín hiệu ra
của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa
chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang.
Cảm biến quang
Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên
hình 3.4.
- Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu

D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V
- Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên
hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi
của
điểm sáng.

41
- Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so
sánh như Hình vẽ 3.3.
Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín
hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo.


Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234

42

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang

- Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm
cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu
vào vi xử lí.
Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng
để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo
hiệu có tín hiệu hay không.

43
Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong
mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm
biến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến.

+ Nguyên lý hoạt động
Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấm
phản xạ có độ ph
ản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta
chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm
và các cặp thu phát được đặt song song với nhau.
Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vào
đảo (U
-
) và không đảo (U
+
) của mạch so sánh. Nếu U
+
>U
-
Thì đầu ra U
ra
sẽ có
mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp.
Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạt
quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối
diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần
thu. Lúc này do tính chất cấ
u tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại
chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào
cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh
sẽ gần như được nối đất U
-
≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt
vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của

mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U
+
≈ 2V.
Lúc này U
+
> U
-
nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp U
ra
≈ 5V.
Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát
lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần
như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ
bằng điện áp nguồn nuôi của nó U
-
≈ 5V.
Lúc này thì U
+
< U
-
nên ở đầu ra sẽ có mức thấp U
ra
≈ 0V.

44
Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho
ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt
được tính theo công thức:
f = p.N (3.5)
Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút.

Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo
tốc độ động cơ
bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến
theo quan hệ như công thức (3.5)
Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các
vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các
con so sánh đều được cho qua một cổng NOT.

3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ
Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tần
trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm
biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện
áp và dòng điện thoả mãn với các thông số củ
a động cơ và đặc biệt là có tần
số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ
trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một

45
luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô
hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều
khiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp:
phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết
phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở
đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành
xây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm.
Thông tin hệ thống

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy
Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ống
dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau

đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc
độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió.
3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển
a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển