Chương 2 Các phần tử tự động trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện.

THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 2 Các phần tử tự động
trong hệ điều chỉnh tự động
truyền động điện.
Trao đổi trực tuyến tại:
/>Nội dung chính:
1. Khuếch đại thuật toán
2. Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
3. Các bộ điều chỉnh
4. Thiết bị đo lường
5. Biến đổi số tương tự (D/A)
6. Biến đổi tương tự số (A/D)
2.1 Khuếch đại thuật toán <KĐTT>

Là một phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển tương tự

Nhờ mạch khuếch đại thuật toán ta có thể tạo ra các thuật toán
điều khiển khác nhau.

Mạch KĐTT xây dựng từ các mạch tranzistor cơ bản có các đặc
tính sau

Hệ số Khuếch đại điện áp A = ∞

Trở kháng vào Z
v
= ∞

Trở kháng ra Z
r

= 0

Giải tần 0 - ∞

Độ trôi điểm 0 bằng 0

Tuyến tính và đối xứng

Sơ đồ nguyên lý thay thế trong mạch:
2.1 KĐTT…Tính chất cơ bản của KĐTT thông dụng
1. Khuếch đại điện áp A = 5.10
4
2. Điện trở đầu vào Z
v
= 1 M Ω
3. Điện trở đầu ra Z
r
= 100 Ω
4. Độ không đối xứng điện áp đầu vào(offset) 1 mV
5. Độ không đối xứng dòng điện đầu vào(offset) 10
-8
A
6. Điện áp đầu vào tĩnh (Blascurrent) 10
-7
A
7. Độ trôi điện áp và dong điện theo nhiệt độ 10
-6
V/K
o
; 10

-10
A/K
o
8. Độ nhạy với sự thay đổi điện áp nguồn Power SupplyR-R
PSRR=10
-5
V/1V = 100 (dB)
9. Tốc độ tăng điện áp( SlewRate) SR= max(du
0
/dt)= 10V/us
10. Các tham số khác: Điện áp nguồn ± 15V; dòng điện 3mV; công
suất 300mW; vùng nhiệt độ -55
o
C +125
o
C
11. Tần số làm việc cỡ vài KHZ
2.1.1 Hàm truyền của KĐTT
1. Khuếch đại đảo dấu
Phương trình đầu vào:
i
1
+ i
2
– i
v
= 0
i
1
= (u

1
-u
v
-u
3
)
1
/
z1

i
2
= (u
2
-u
v
-u
3
)
1
/
z2

i
v
= u
v
/ i
v
Phương trình đầu ra

u
0
= -AU
V
; i
0
= i
2
+ i
1
;
Với giả thiết z
0
= 0; z
0
< z
2
; ; z
0
< z
t
và A  ∞ ta có quan hệ:
Z
1
Z
2
Z
3
Z
t

U
1
i
3
i
1
i
o
i
v
U
V
Z
v
+
-
A Z
r
u
0
i
2
i
t
U
2
t
t
z
u

i
2
=
r
z
uu
i
02
0
−
=
1
2
1
2
z
z
u
u
−=
2.1.1 Hàm truyền của KĐTT
2. Khuếch đại không đảo
3. Khuếch đại vi sai
Z
1
Z
2
Z
3
Z

4
Z
t
U
1A
U
1B
i
3
i
4
i
1
i
0
i
v
U
V
+
-
A Z
0
u
0
1
21
43
4
1

2
z
zz
zz
z
u
u
+
+
−=
BA
U
zz
z
z
zz
U
z
z
u
1
43
4
1
21
1
1
2
2
.

+
+
−=
2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

Mạch bảo vệ đầu vào:

Mạch bảo vệ quá tải nối
điện trở đầu ra

Mạch bảo vệ nối sai
nguồn

Mạch bù bất đối xứng
điện áp:
2.1.2 Các mạch phụ trợ cho KĐTT

Mạch bù tần số
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2.1 Bộ cộng tín hiệu:
2.2.2 Mạch lặp điện áp:
U
2
= U
AC volt
Thường dùng để lặp các tín hiệu
điều khiển trước đầu vào của
mạch so sánh trong mạch điều
khiển chỉnh lưu









+++−=
n
n
b
b
a
a
R
U
R
U
R
U
RU
1
1
1
1
1
1
12

2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán

2.2.3 Mạch tạo nguồn điện áp mẫu:
Điều chỉnh R
1
và R
2
ta được giá trị điện
áp mẫu. Độ ổn định của điện áp mẫu phụ
thuộc nhiều vào độ chính xác của điot và
2 điện trở R
1
và R
2
.
2.2.4 Mạch lọc tích cực:
Thường dùng trong mạch truyền động
điện là mạch lọc dải thông thấp có hàm truyền
A
v0
: hệ số Khuếch đại của mạch lọc
B
n
(p): đa thức butterworth cấp n
Hvẽ mạch lọc cấp 1 và 2
)1(
1
2
2
R
R
UU

z
+=
)()(
)(
)(
0
1
2
pB
A
pU
pU
pA
n
v
v
==
a
w
w
wB
n
21)(
0
+=
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2.5 Mạch so sánh
Dùng để so sánh 2 tín hiệu điện áp chẳng
hạn trong mạch điều khiển chỉnh lưu
thyristo so sánh tín hiệu điều khiển U

1
và tín hiệu đồng bộ U
đb
để tính góc điều khiển α
Ta có
Như vậy đầu ra có 2 giá trị + U
0max
và -U
0max
là điện áp bão hòa âm và
dương của KĐTT.
Trong thực tế còn sử
dụng mạch có đặc tính trễ.
2
max
21max0
2
max
21max0
21max00
0
)(
U
A
U
UkhiUU
U
A
U
UkhiUU

UUSignUU
U
o
o
≈−≥−
≈−≤+
−=
=
1
21
0
2
21
2
1max0
1
21
0
2
21
2
1max0
0
R
RR
U
U
RR
R
khiUU

R
RR
U
U
RR
R
khiUU
U
+
+
+
≥−
+
+
+
≤+
=
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2.6 Mạch chỉnh lưu dùng KĐTT
Mạch chỉnh lưu 1 cực:
Khi U
1
>0 D
1
dẫn D
2
khóa U
2
= 0

Khi U1<0 D
1
khóa D
2
dẫn
U
2
=
Mạch chỉnh lưu 2 cực:
1
1
2
U
R
R
12
UU
=
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2.7 Mạch khóa có điều khiển:
Với U
đk
= 0
Khi U
1
<0
khi U
1
>0 thì U
2

=0
Khi U
đk
>0 đồng thời chọn R
3
và U
đk
sao cho
Thì U
2
=0
Mạch làm việc khi U
1
>0 và U
đk
=0> Mạch không đảm bảo chắc chắn
khóa chỉ thông khi U
đk
=0 vì với giá trị U
đk
≠0 nếu không đảm bảo điều
kiện thì khóa vẫn thông
Để khắc phục yêu cầu tín hiệu điều khiển phải là tín hiệu logic.
1
2
12
R
R
UU
−=

1
1
3
R
U
R
U
đk
>
1
1
3
R
U
R
U
đk
>
2.2 Các mạch cơ bản dùng Khuếch đại thuật toán
2.2.8 Mạch hạn chế:
Thường dùng hạn chế
lượng đặt dòng điện
hoặc momen và hạn
chế tín hiệu điều khiển
Khi U
1
>0 nếu U
1
>U
+

thì D
+
mở U
2
≈ U
+
Khi U
1
>0 nếu thì D
-
mở U
2
≈ U
-
-
Giá trị hạn chế được điều chỉnh bởi
chiết áp P
1
, P
2
-
Một sơ đồ khác của khâu hạn chế:
Góc mở của P
1
, P
2
là α
1
và α
2

Giá trị điện áp trên P
1
, P
2
là
+
-
D
-
D
+
u
-
u
+
P
2
P
1
U
2
-U
n
U
1
+U
n
UU
>
1

2.2.8 Mạch hạn chế:…
U
-
1
= (1-α
1
)U
2
- α
1
U
n
U
+
= (1-α
2
)U
2
+α
1
U
n
Nếu chọn R<<R
2
ta có U
2
bị hạn chế bởi giá trị
0
1
0

1
2
2
2
max2
2
1
1
max2
<
−
=
>
−
=
khiUUU
khiUUU
n
n
α
α
α
α
2.2.9 Khâu tạo gia tốc và giảm tốc
U
max
: điện áp bão hòa đầu ra khâu so sánh
U
HCMax
:điện áp hạn chế

U
w
: tín hiệu điện áp đầu vào
U
*
w
: điện áp đầu ra
τ : hằng số tích phân
Tốc độ tăng lượng đặt
U
w
+
_
U
1
U
2
U
n
U
HCMax







−=
−=

−=
∫
τ
τ
dUUSign
U
U
UUSignUU
UUSignUU
ww
HC
w
wwHC
ww
)(.
)(.
)(.
*
max
*
*
max2
*
max1
τ
max
*
HCw
U
dt

du
≤
VD Mạch nguyên lý khâu hạn chế gia tốc
- Thực tế trong hệ điều
chỉnh tự động truyền
động điện dùng bộ
Biến đổi điện tử công
suất, do độ tác động
nhanh của bộ biến đổi
nên cần hạn chế tốc
độ tăng lượng đặt
- Trong sơ đồ A1 là khâu so sánh, A2 là khâu tích phân,
A3,A4 tạo ra tạo điện áp hạn chế -U
HCmax
và +U
HCmax
khâu hạn
chế là 2 tranzitor T1, T2. hằng số thời gian tích phân τ =
RC
2.2.10 Khâu tạo phát xung chữ nhật

Thường dùng cho mạch tạo
xung chùm cấp cho khâu
Khuếch đại xung điều khiển
thyristor có biến áp xung.
Giá trị điện áp U
rmax
đc tạo nhờ
2 diot ổn áp. Nếu U trên tụ điện
Thì điện áp trên đầu ra sẽ thay đổi cực tính

Tại t = 0 Tại 0< t < T/2
Tại t = T/2 ta có
Thay lên trên ta được chu kỳ
1
21
max
.)( R
RR
U
pU
r
c
+
±
=
21
1
max
RR
R
UU
rc
+
−=
RCt
rc
e
RR
R
UtU

/
21
1
max
).(1[)(
−
+
−−=
21
1
max
RR
R
UU
rc
+
=
1
21
2
ln.2
R
RR
RCT
+
=
2.2.11 Mạch phát xung chữ nhật và xung tam giác
-
Bằng việc nối mạch so sánh nối tiếp với mạch tích phân có phản
hồi sẽ tạo ra xung chữ nhật ở đầu ra mạch so sánh, xung tam giác ở

đầu ra A2 mạch có đặc tính trễ A1, lật giá trị khi
-
Chu kỳ tín hiệu
3
max1
2
max2
R
U
R
U
=−
2
3
11
4
R
R
CRT
=
2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số
-
Trong mạch biến tần cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật có tần số
tỷ lệ với điện áp điều khiển. Cụ thể trong điều khiển tần số động cơ
không đông bộ, tần số điện áp hoặc dòng điện ra f1 của biến tần
được tính: f
1
= fw + f
2
trong đó

Fw: tần số quay của trục động cơ
F2: tần số trượt ở mạch roto.
Mạch gồm 3 khâu là mạch khóa, mạch tích phân và mạch so sánh
Mạch khóa chuyển mạch tạo điện áp +U
1
và –U
1
cấp cho khâu tích
phân, điều khiển khóa chuyển mạch là khâu so sánh có đặc tính từ
Khóa
+ U
1
- U
1
So sánh
f
1
Tích phân
2.2.12 Mạch biến đổi điện áp – tần số
trễ
Có nhiều mạch thực hiện biến đổi điện áp – tần số. Tuy vậy cần xác
định chỉ tiêu độ tuyến tính, vùng điều chỉnh trong đó tần số xung ra
tỷ lệ tuyến tính với điện áp.
2.3 Các bộ điều chỉnh
-
KN bộ điều chỉnh: là thành phần quan trọng nhất trong hệ điều
chỉnh tự động truyền động điện vì nó đảm bảo chất lượng động và
tĩnh của hệ. Hai nhiệm vụ chính của nó là:
1.Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ
2.Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ

2.3.1 Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) dùng KĐTT
Từ hàm truyền của KĐTT
Ta lấy Z
1
=R
1
; Z
2
=R
2
; ta được hàm truyền của bộ điều chỉnh tỷ lệ là:
+
-
U
2
_
R
1
R
1
R
2
U
1w
U
1
1
2
1
2

z
z
u
u
−=
K
R
R
U
U
pF
R
=−==
∑
1
2
1
2
)(
2.3.2 Nguyên tắc tạo hàm chức năng điều khiển của bộ điều chỉnh
Sơ đồ xây dựng hàm chức năng các bộ điều chỉnh:
Ta có:
I
1w
+ I
1
+ I
2
= 0
Trong đó

I
1w
= Y
w
(p).U
1w
I
1
= Y(p).U
1
I
2
= Y
2
(p).U
2
Từ đó tính được:
Để so sánh tín hiệu đầu vào cần có điều kiện
U
1wdm
: giá trị điện áp đặt định mức
U
1dm
: giá trị điện áp đo lường định mức
Ta có trong đó dấu * thể hiện tín hiệu
ở đơn vị tương đối
+
-
U
2

Y
2
(p)Y
w
(p)
_
I
2
U
1w
U
1
Y(p)
U
I
1
I
1w
]
)(
)(
[
)(
)(
11
2
2
U
pY
pY

U
pY
pY
U
w
w
w
−−=
)(
)(
1
1
1
pYU
pYU
wdm
wdm
=
][.
)(
)(
*
1
*
1
1
1
2
*
2

UU
U
U
pY
pY
U
w
dm
wdmw
−=