đồ án tốt nghiệp 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:
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
M ỤC L ỤC
MỤC TÊN ĐỀ MỤC
TRANG
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1
I.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động vị trí 1
I.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí. 1
I.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc 3
I.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí 4
I.4.1. Hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng 4
I.4.2. Hệ thống tuỳ động kiểu số 5
I.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số 7
CHƢƠNG 2 ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ 9
II.1. Sensin 9

II.2. Bộ biến áp quay 14
II.3. Bộ đồng bộ cảm ứng 16
II.4. Đĩa mã quang điện 19
II.4.1. Đĩa mã kiểu gia số. 19
II.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối 21
THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG
CHƢƠNG 3
23
THƢỜNG
III.1. Tổng quan về thiết bị nâng 23
III.1.1. Công dụng 23
III.1.2. Phân loại 23
III.1.3. Các chế độ làm việc của TBN 29
III.1.4.
Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị
29
nâng
III.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định 30
III.2.1. Sai số đo kiểm 31
III.2.2. Sai số nguyên lý 31
III.2.2.1. Tín hiệu vào điển hình 32
III.2.2.2. Sai số nguyên lý của hệ thống loại I 33
III.2.2.3. Sai số nguyên lý hệ thống loại II 35
III.2.2.4. Nhân tố phẩm chất của trạng thái ổn định 36
III.2.2.5. Sai số nhiễu 37
III.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy nâng 40
III.3.1. Hàm truyền của động cơ điện 42
III.3.2. Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor 47
III.3.3. Hàm truyền của máy phát tốc 48
III.3.4. Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện 49

III.4.
Tổng hợp hệ điều khiển R
I
, R
ω
, R
ϕ
49
III.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện R
I
49
III.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R
ω
51
III.4.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí 53
III.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 55
III.6. Tính toán các thông số và mô phỏng hệ tuỳ động vị trí
57
khi sử dụng bộ điều khiển PID
Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động
III.6.1. 57
cơ điện một chiều kích từ độc lập
III.6.2.
CHƢƠNG
IV
Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển
61
PID
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 65
IV.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 66

IV.2. Nguyên lý điều khiển mờ 68
IV.3. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 68
IV.4. Các bộ điều khiển mờ 74
IV.4.1. Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển 74
IV.4.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh
75
IV.4.3. Bộ điều khiển mờ động
75
Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển mờ lai cho mạch
IV.5.
78
vòng vị trí
IV.5.1. Mờ hóa 78
IV.5. 2. Luật điều khiển và luật hợp thành 80
IV.5.3. Giải mờ 81
IV.6. Mô phỏng hệ tuỳ động vị trí khi có bộ điều khiển mờ 81
Kết luận và kiến nghị 86
Tài liệu tham khảo 88
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:
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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 RP
1
và RP
2
tạo thành bộ đo kiểm vị trí
(góc), trong đó trục quay của RP
1

nối thông với bánh điều khiển làm góc cho trước,
trục quay của chiết áp RP
2
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 U
s
, như
vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra.
R
1
R
2
RP1
RP2
+
-
U
*
U
R
0
R
0
-
+
OA1
ϕ
ϕ
đ
R

1
ct
+
OA2
Bộ

KĐCS
điều
U
d
MS
Khiển
được
n
Bộ giảm
Vô lăng Anten rada
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,
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,
-
U
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 RP
1
và RP
2
là như
nhau, góc cho trước ϕ
đ
và góc phản hồi ϕ bằng nhau, vì vậy độ lệch góc ∆ϕ = ϕ
đ
-
ϕ = 0, điện áp ra của chiết áp U
*
= U, điện áp đầu ra bộ khuếch đại điện áp U
ct
=0,
điện áp đầu ra của bộ khuếch đại công suất đảo chiều U
d
= 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, ∆ϕ > 0, thì U
*
> U, U
ct
> 0, U
d
> 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

RP
2
khiến cho ϕ cũng tăng lên. Chỉ cần ϕ < ϕ
đ
thì động cơ luôn luôn
quay theo

chiều để ra đa thu hẹp độ lệch, chỉ có lúc ϕ
đ
= ϕ, độ lệch ∆ϕ = 0, U
ct
=
0, U
d
= 0 hệ

thống mới ngừng quay rồi ở vào trạng thái ổn định mới ( trạng thái xác
lập).

Nếu góc cho trước ϕ
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 ϕ bám đuổi chính xác đại lượng cho trước ϕ
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.
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.
Vị trí
ϕ
đ
cho
+
trước -
ϕ
Vị trí
bộ
điều
tiết
Bộ điều
khiển

tốc

độ
Khuếch
đại
công
suất
SM
CKT
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 ϕ
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 liệu

cho
trước
D
ϕ
đ
A
Bộ nhận
diện
pha
Bộ điều
khiển
tốc

độ
Động
cơ

chấp

hành

Bàn máy
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 ϕ 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
±0.001µm, 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 ϕ
đ
với góc
pha phản hồi ϕ, đổi độ lệch của chúng ∆ϕ = ϕ
đ
- ϕ 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 ϕ luôn bám
sát ϕ
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.
I.4.2.2. Hệ thống tuỳ động điều khiển xung
số
*
Bàn máy
Số liệu
D
cho trước
Bộ
thuật
toán đảo
chiều
D
Bộ điều
khiển
tốc
A
độ
Động cơ
chấp
hành
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 + D
o
, trong đó D
o
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

Số liệu
D
*
cho trước
Bộ
thuật
toán đảo
chiều
D
Bộ điều
khiển
tốc
A
độ
Động
cơ

chấp

hành
Bàn máy
D
Vị trí đo kiểm

(Đĩa mã quang điện)
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số
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.
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).
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 120
o
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 u
bs
của chuyển vị góc,
như trên hình 2-2.
ϕ

1= 0
ϕ
2 = 0
~u
f
90°
a1
ia
e1a
a2
u
bs
ϕ'
2 = 0
o o'
c1
e1c
e1b
c2
bst
b1
b2
bsr
ib
Hình 2-2 Mạch điện Sensin kiểu điều khiển
Công thức biểu thị điện áp kích từ xoay chiều một pha u
f
của máy phát tin là:
U
ï

(
t
)
= U
m
Sin
ω
t
i
c
Dòng điện do nó gây nên sinh ra từ thông Φ
f
trong lõi sắt của máy phát tin,
kéo theo là sức điện động cảm ứng e
1a
, e
1b
, e
1c
trên ba cuộn dây OA
1
, OB
1
, OC
1
. Các
sức điện động này về mặt thời gian là đồng pha, độ lớn của chúng tỷ lệ với thành
phần từ thông Φ
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 OA
1
của tổ dây pha A
1
tại vị trí 0, lúc đường tâm trục tổ cuộn dây rôto bắt đầu từ vị trí 0
quay đi một góc ϕ
1
, thì sức điện động cảm ứng của tổ cuộn dây 3 pha máy phát tin
là:
e
1a
= k
bs
U
fm
sin ωt cos θ
1
e
1a
= k
bs
U
fm
sin ωt cos
(
120
o
- θ
)

e
1a
= k
bs
U
fm
sin ωt cos
(
120
o
+ θ
)
Trong đó, k
bs
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:
k
bs
U
ïm
i = sin ωt - α cos θ
a
Z
1
k
bs

U
ïm
o
i = sin ωt - α cos 120 - θ
a
Z
1
k
bs
U
ïm
o
i = sin ωt - α cos 120 + θ
a
Z
1
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.
1
1
( )
( )
)

( )
)
Nếu góc trở kháng là α thì
α = tg
-1
(
X
R
)
Khi số vòng của 3 tổ cuộn dây là như nhau, bố trí lệch nhau 120
o
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:
F
2a
=Fsin
(
ωt - α
)
cos θ
1
F
2a
=Fsin
(
ωt - α
)

cos
(
120
o
- θ
)
F
2a
=Fsin
(
ωt - α
)
cos
(
120
o
+ θ
)
Trong đó: F-giá trị biên độ sức từ động của hệ số liên quan bao gồm giá trị dòng
điện
K
bs
U
ïm
, 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:
2a
=F
2a

cos θ
2
2b
=F
2a
cos
(
120
o
- θ
)
2c
=F
2a
cos
(
120
o
+ θ
)
Sức từ động tổng hợp trên đường trục tổ cuộn dây trên rôto máy nhận tin là:
, , ,
F
2
= F
2a
+ F
2b
+ F
2c

Sức từ động tổng hợp trong lõi sắt từ sinh ra từ thông tổng hợp Φ
2
, sau đó trong
cuộn dây rôto máy nhận tin sinh ra điện áp cảm ứng u
bs
, điện áp này về mặt thời
gian vượt trước từ thông Φ
2
một góc 90
o
, vì vậy:
u
bs
= U
bsm
sin(ωt- α + 90
o
)cos(ϕ
1
- ϕ
2
) (2-1)
Trong đó: U
bsm
- là giá trị cực đại của điện áp đầu ra u
bs
Từ biểu thức (2-1) có thể thấy:
(1)Điện áp đầu ra u
bs
của máy tự chỉnh góc là hàm số cosin của sai số góc,

lúc ϕ
1
=ϕ
2
, cos(ϕ
1
- ϕ
2
) =
1,
u
bs
là cực đại.
1
1
F
,
F
,
F
2
,
2
(2)u
bs
là điện áp xoay chiều một pha, về mặt thời gian nó vượt trước điện áp
kích từ U
f
trên rôto máy phát tin một góc là (90
o

- α).
Nhưng quan hệ ở (1) không tiện dụng, vì khi sai số góc ∆ϕ = ϕ
1
- ϕ
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 ∆ϕ = 0, điện áp đầu ra
cũng bằng không. Mặt khác khi ϕ
2
vượt trước ϕ
1
, sai số góc ∆ϕ < 0, nhưng bởi vì
cos(-∆ϕ) = cos∆ϕ, nghĩa là góc pha của điện áp u
bs
không phản ánh đúng cực tính
của sai số góc. Vì vậy, lúc lấy đường trục A
1
của tổ cuộn dây stator làm vị trí 0 của
máy phát tin, tổ cuộn dây rôto máy nhận tin cho vượt trước 90
o
, đồng thời đặt
đường tâm trục A
2
của tổ cuộn dây stator ở vị trí vuông góc đổi thành vị trí 0 của

máy nhận tin như trên hình 2-3.
ϕ
1= 0
ϕ

2 = 0
~u
f
a1
90°
a2
u
bs
ϕ'
2 = 0
o o'
c1
b1
c2
bst
b2
bsr
Hình 2-3 Vị trí 0 của máy tự chỉnh góc
Trong hình ϕ
1
= 0 là vị trí 0 của máy phát tin,
ϕ
,
= 0 là vị trí 0 của máy nhận
tin, thì
ϕ
2
=
ϕ
,

+ 90
o
ban đầu của máy nhận tin thay vào biểu thức 2-1 sẽ có:
u
bs
=
U
bsm
sin (
ω
t −
α
+ 90
o
).cos(
ϕ
−
ϕ
,
− 90
o
)= U
bs
m
sin (
ω
t −
α
+ 90
o

)sin
(
ϕ
−
ϕ
,,
)
Cũng có thể viết thành:
u
bs
=
U
bsm
sin Δθ sin
(
ωt + 90
o
) (
2 - 2
)
Trong đó: ∆ϕ- góc mất điều
chỉnh,
∆
ϕ
=
ϕ
1
−
ϕ
,

Như vậy lúc góc mất điều chỉnh ∆ϕ = 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
2
2
1 2 1 2
điện áp đầu ra u
bs
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 ∆ϕ.
Máy tự chỉnh góc phân ra ba cấp chính xác là 1,2,3, sai số nằm trong khoảng
0.25
0
đến 0.75
0
.
2
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
dây trực giao nhau trong không gian.
Lúc Rôto quay, vị trí tương đối của hai
cuộn dây này cũng thay đổi theo làm
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
ubr

r1
s2
u2
r2
s1
Hình 2-4 Bộ biến áp
u1
y dùng làm bộ
biến

qua
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 S
1
và S
2
lần lượt
được kích từ bởi hai điện áp xoay chiều hình sin u
1
, u
2
với biên độ hai góc pha bằng
nhau, lệch pha nhau 90
0
, nghĩa là:
u
t

(t) = U
m
sinω
o
t
u
z
(t) =
U
m
Cosω
o
t
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 90
0
, vì thế trong khe hở điện từ tạo ra từ trường quay tròn. Điện áp cảm
ứng sinh ra trong cuộn dây R
1
của rôto là:
u
bt
(
t
)
= m
[
u

(
t
)
cos θ +
u
z
(
t
)
sin
θ
]
= mU
cos
(
ω t + θ
)
(
2 - 3
)
stato.
Trong đó: m- tỷ số vòng quấn có ích của cuộn dây trên rôto và cuộn dây trên
Từ công thức (2-3) có thể thấy, biên độ điện áp đầu ra u
br
của bộ biến áp
r
m
o