Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện

i

TRẦN THỊ SỰ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN
ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỂ
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÀN MÁY
GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

- 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Thị Sự
Sinh ngày: 16/11/1986
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số
liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận

văn chưa từng được ai công bố trong bất kì cơng trình nào.
Tơi xin cam đoan rằng mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn chỉ rõ
nguồn gốc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm rất
lớn của nhà trường, các khoa, phịng ban chức năng, các thầy cơ giáo và
đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa sau đại học,
các giảng viên đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thày PGS. TS
VÕ QUANG LẠP. Thày đã tận tình giúp đỡ tơi trong cả q trình tìm hiểu
thực tế để phát hiện ra đề tài và quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thày cơ giáo ở phịng thí nghiệm
của trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo
điều kiện để tơi thực hiện hồn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm cịn hạn chế nên
luận văn của tơi có thể vẫn cịn những thiếu sót. Tơi rất mong nhận được
các ý kiến đóng góp từ các thày cơ giáo và các đồng nghiệp để luận văn của
tơi được tốt hơn và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Trần Thị Sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv

MỤC LỤC
Mở đầu

1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU

3

I. Sơ đồ khối

3

I.1. Động cơ điện

4

I.2. Biến tần

5

I.2.1. Khối động lực

5

I.2.2. Khối điều khiển

5

I.2.3.1. Khái niệm về vectơ không gian

7

I.2.3.2. Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn

8

I.2.3.3.Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên

9

I.3 PLC S7-300

11

I.4. Thiết bị lấy tín hiệu tốc độ

11

CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA

16

II.1. Các phương pháp điều khiển biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha

16

II.1.1. Điều khiển vectơ (FOC)

16

II.1.2. Điều khiển trực tiếp momen (DTC)

17

II.2. Xây dựng phương pháp điều khiển vectơ

18

II.2.1. Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không

19

gian.
II.2.2. Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ

22

vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ).
II.2.3. Quy đổi các đại lượng của động cơ KĐB ba pha từ hệ tọa độ cố định

25

trên rotor (x, y) về hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  )
II.2.4. Phép chuyển đổi trục tọa độ các đại lượng điện của ĐC KĐB ba pha
từ hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ) về hệ tọa độ tựa theo từ thơng
rotor(d,q)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
27


v
.

31
.

33

.

35

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG VÀ KIỂM
NGHIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ

39

KHÔNG ĐỒNG BỘ

III.1 Khảo sát ổn định hệ điều khiển

39

III.1.1 Cơ sở xây dựng hệ điều khiển vector biến tần – động cơ KĐB số

39

III.1.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển vector

39

III.1.1.2 Dựa vào bộ điều khiển số S7-300

40

III.1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển số

48

III.1.3 Quá trình khảo sát ổn định

50

III.1.3.1 Khảo sát mạch vòng dòng điện

50

III.1.3.2 Khảo sát mạch vòng tốc độ

59

III.1.4 Quá trình khảo sát chất lượng

64

III.1.4.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện

65

III.1.4.2 Khảo sát chất lượng mạch vịng tốc độ

69

III.2 Thí nghiệm

73

III.2.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm

73

III.2.2 Nguyên lý làm việc

76

III.2.3 Thí nghiệm

76

III.2.3.1 Thí nghiệm 1

77

III.2.3.1 Thí nghiệm 2

77

III.2.4 So sánh đánh giá kết quả

78

CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG
CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO BÀN

79

MÁY GIA CƠNG TIA LỬA
C

79
79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi
81
82

82
83
85
85
87
89
89
90
IV.4 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần – động cơ điện xoay
chiều ba pha cho máy gia công tia lửa điện.

92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

94

TÀI LIỆU TAM KHẢO

96

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

CPU

2

D

3

DTC

4

ĐC KĐB

5

FOC

6

ĐKCL

Điều khiển chỉnh lưu

7

ĐKNL

Điều khiển nghịch lưu

8

H(p)

9

I

10

Ke

Hệ số Encoder phản hồi âm tốc độ

11

β

Hệ số biến đổi của bộ điều khiển dòng điện

12

K

Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

13

P

Bộ điều chỉnh tỉ lệ

14

PI

Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân

15

PID

(Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm
Bộ điều chỉnh vi phân
Điều khiển trực tiếp momen
Động cơ không đồng bộ
Điều khiển vectơ

Khâu lưu giữ không
Bộ điều chỉnh tích phân

(Proportinal Intrergal Derivative) Bộ điều chỉnh tỉ lệ vi
tích phân

16

PLC

Programmable Logic Controller”: Bộ điều khiển logic

17

PWM

(Pulse Width Modulation) Phương pháp biến điệu bề rộng
xung

18

SVM

(Space Vector Modulation) Phương pháp biến điệu vector
khơng gian

19

T

20

CNC

Chu kì lấy mẫu (thời gian lượng tử)
Computer numberial control

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA
Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Mơ hình hệ thống

3

Hình1.2a

Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp khơng đổi

4

Hình1.2b

Đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp (U/f =const)

5

Hình 1.3

Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

6

Hình 1.4

Vectơ khơng gian và vectơ biên chuẩn

10

Hình 1.5

Đặc tính đo máy phát tốc một chiều

12

Hình 1.6

Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều ba pha

13

Hình 1.7

Mạch nhân xung đầu ra phát tốc xung

13

Hình 2.1

Hình 2.2
Hình 2.3

Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử dụng
động cơ KĐB xoay chiều ba pha
Sơ đồ khối hệ biến tần - động cơ điện KĐB xoay chiều ba
pha điều khiển trực tiếp momen
Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

16

18
19

Hệ tọa độ vector không gian ( a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
Hình 2.4

Hình 2.5

22

stator (  ,  )
Hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ) và hệ tọa độ cố định trên

24

rotor (x, y)
Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator

Hình 2.6

(  ,  ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y)

25

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator
Hình 2.7

(  ,  ) và hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor (d,q)

27

2.8

34

2.9

35

2.10

36

(d,q)

2.11.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

38

/>

ix
Hình 3.1

Hình 3.2a

Hình 3.2b

Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụng biến tần và
ĐC KĐB
Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện
sử dụng biến tần và ĐC KĐB
Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện sử dụng
biến tần và ĐC KĐB

40

42

43

Hình 3.3

Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I

45

Hình 3.4

Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D

46

Hình 3.5

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

47

Hình 3.6

Đồ thị đặc tính của bộ PID

48

Hình 3.7

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số

48

Hình 3.8
Hình 3.9

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần động cơ điện xoay
chiều

Sơ đồ khối hệ truyền động

49
71

Hình 3.10

72

Hình 3.11

Kết quả thí nghiệm khâu P

73

Hình 3.12

Kết quả thí nghiệm khâu PI

73

Hình 4.1

.

76

Hình 4.2

77

Hình 4.3

78

Hình 4.4

80

Hình 4.5

81

Hình 4.6

82

Hình 4.7

83

Hình 4.8

83

X,Y,Z

Hình 4.9

86

Hình 4.10

86

Hình 4.11

g Tachometer,
Resolver

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
86


x
Hình 4.12
Hình 4.13

, Encoder
Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay
chiều cho máy gia công tia lửa điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
87
87

1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bởi
máy tính hoặc PLC là hệ điều khiển truyền động thơng minh có nhiều ưu điểm so
với những hệ thống kinh điển, nó đã và đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều
máy công nghiệp. Hiện tại những hệ thống truyền động cũ cũng đang được thay
thế bằng hệ truyền động này. Hơn nữa ở phịng thí nghiệm của trường được trang
bị một mơ hình thí nghiệm hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều
khiển bằng PLC S7-300. Với ưu điểm của hệ mới này kết hợp với việc thí
nghiệm thuận lợi nên đề tài luận văn được chọn là: “Nghiên cứu khảo sát và
tính tốn hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều để ứng dụng
điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện”
Với cách đặt vấn đề trên kết quả đề tài luận văn vừa có tính lý thuyết vừa
kết hợp được thực nghiệm sẽ làm cho bản luận văn có tính khoa học và tính thực
tiễn cao.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Để thực hiện đầy đủ mục tiêu của luận văn đề ra bản luận văn được thực
hiện với các mục tiêu như sau:
 Về mặt lý thuyết:
- Trình bày tổng quan về sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay
chiều điều khiển bằng PLC S7-300 giúp cho việc tính tốn khảo sát.
- Khảo sát tính tốn đánh giá chất lượng của hệ thống để có nhận xét sơ bộ về
hệ truyền động.
 Về mặt thực nghiệm
- Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm
- Tiến hành thí nghiệm trên mơ hình thực của nhà trường với các chế độ và
thông số khác nhau để so sánh đánh giá chất lượng với lý thuyết.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2
- Đề xuất ứng dụng hệ truyền động này vào thực tế.
3. Nội dung luận văn
Với mục tiêu đặt ra, luận văn bao gồm các chương sau:
Chương I: Tổng quan về hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều
khiển bằng PLC S7-300.
Chương II: Phân tích và chọn phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương III: Khảo sát, đánh giá chất lượng và kiểm nghiệm hệ điều khiển vector
biến tần - động cơ không đồng bộ.
Chương IV: Ứng dụng hệ truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều điều
khiển bởi PLC S7-300 cho chuyển động bàn máy gia cơng tia lửa điện.
Kết luận và kiến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7-300.
Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bởi máy tính
hoặc PLC được sử dụng nhiều để truyền động cho các máy công nghiệp. Để hiểu
rõ nguyên lý làm việc và khả năng ứng dụng của nó, ta nghiên cứu khảo sát và
tính tốn hệ truyền động này để đề xuất ứng dụng vào thực tế sản xuất.
I. Sơ đồ khối
Sơ đồ khối hệ truyền động đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ:

e

Sp

PID

Kp

U

Ki

Biến tần V
(M420)

(S7-300)
Pv

Kd

W

Động cơ 3 pha

Encoder
Tín hiệu xung Encoder chuyển
đổi sang tốc độ động cơ

Hình 1.1: Mơ hình hệ thống

Động cơ điện xoay chiều ba pha được điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần
số, điện áp cung cấp cho nó lấy từ biến tần ba pha. Điều khiển hệ truyền động
này được thực hiện nhờ bộ điều khiển PID của PLC S7-300. Để ổn định tốc độ
thì có một mạch vịng phản hồi âm tốc độ dùng Encoder. Tín hiệu đặt SP để điều
chỉnh tốc độ động cơ thơng thường được lấy ra từ máy tính hoặc một khâu riêng.
Mạch vòng phản hồi âm dòng điện được cài sẵn tích hợp trong biến tần.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4
I.1 Động cơ điện
Động cơ này trong sơ đồ được điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần
số. Từ phương trình momen của động cơ khơng đồng bộ:
3U 12 . p
3U 12
3 p  U1 
 

Mm =
=
2.2 . f1 .2 . f1 .L 8 2 L  f1 
2 s x k

Trong đó:  s 

2

2 . f1

là tốc độ từ trường quay
p

U i  k ' .. f tỉ lệ thuận với U1

Từ đó ta có hai phương pháp điều khiển tốc độ:
- Phương pháp thay đổi tần số nhưng giữ nguyên điện áp có dạng đặc tính:

Hình1.2a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi
- Phương pháp vừa điều chỉnh tần số vừa điều chỉnh điện áp, U/f = const
có dạng đặc tính:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

Hình1.2b. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp (U/f =const)
Hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ người ta dùng biến tần điều khiển
tần số tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn. Vì vậy, hệ thống biến
tần động cơ điện xoay chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp.
I.2 Biến tần
Biến tần hay cịn gọi là nghịch lưu là thiết bị dùng để biến đổi điện áp hay
dòng điện một chiều thành điện áp xoay chiều ở tần số khác nhau. Biến tần có thể
là một pha hay ba pha. Hiện tại biến tần có nhiều hãng sản suất, biến tần có hai
khối chủ yếu là: khối động lực và khối điều khiển.
I.2.1 Khối động lực
Khối động lực của biến tần có thể dùng các linh kiện bán dẫn Thyristor

hoặc Tranzitor công suất. Biến tần được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ,
thông thường là biến tần nguồn áp, với linh kiện là tranzitor công suất, sơ đồ
mạch động lực như hình vẽ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha
Trong sơ đồ này các tranzitor T1 ÷ T6 làm nhiệm vụ nghịch lưu, diot D1 ÷
D6 làm nhiệm vụ chỉnh lưu để trả năng lượng của phụ tải cho nguồn (ví dụ khi
hãm tái sinh). Với sơ đồ nghịch lưu trên dựa vào tính chất của điện áp ba pha
xoay chiều, chúng ta khống chế sẽ nhận được điện áp xoay chiều ba pha trên phụ
tải (ZA, ZB, ZC) với tần số khác nhau.
I.2.2 Khối điều khiển
Khối điều khiển của biến tần làm nhiệm vụ điều khiển điện áp ra và tần số
ra của biến tần, đối với biến tần ba pha có ba phương pháp điều khiển:
-

Phương pháp kinh điển

-

Phương pháp biến điệu bề rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM)

-

Phương pháp biến điệu vectơ không gian (Space Vector ModulationSVM)

Dạng sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM có
dạng như hình vẽ:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

Với dạng điện áp này ta thấy điện áp ra tức thời là những xung có tần số
rất lớn nhưng điện áp ra trung bình có dạng hình sin với tần số ra yêu cầu, và
điện áp trung bình này đặt lên động cơ làm động cơ quay với tần số đặt.
I.2.3.1 Khái niệm về vectơ không gian
Một hệ thống điện áp, dịng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một
vectơ gồm 3 thành phần: u = (uA, uB, uC) hoặc i = (iA, iB, iC). Cách biểu diễn này
khơng thuận tiện vì mỗi vectơ được biểu diễn bởi ba tọa độ. Park đã đưa ra phép
biến đổi cho phép biến đổi hệ tọa độ bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho
việc biểu diễn các vectơ theo cách con người có thể nhìn nhận được một cách
thông thường.
Theo phương pháp biến đổi Park, một hệ thống ba pha bất kỳ, điện áp hay
dòng điện, biểu diễn qua một vectơ trên mặt phẳng tọa độ 0 như sau:

u



2
u A  auB  a 2 uC
3

Trong đó, a  e

j

2
3



1
3
 2  j
; j: đơn vị số phức ảo (j2 = -1).
2
2

Nếu uA, uB, uC là một hệ thống điện áp ba pha sao cho:
u A  U m cos(t )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8
u B  U m cos(t 

2
)
3

u C  U m cos(t 

2
)
3

Thì u = Umej( t ) , nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0  , u là một vectơ có
độ dài bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc
bằng  .
I.2.3.2. Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn
Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.3 các van điều khiển phải được
tuân theo các quy luật nhất định, đó là khơng được ngắn mạch nguồn một chiều
đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra.
Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dịng lớn
phá hủy van. Khi van điều khiển không nối một pha đầu ra nào đó với thanh dẫn
(+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dịng có thể vẫn phải chạy qua các điôt, dẫn
đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu khơng cịn là nghịch lưu áp như
mong muốn. Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được
biểu diễn trong bảng dưới đây.
STT

Van dẫn

uA

uB

uC

u

0

T1, T3, T5

0

0

0

0

1

T5, T6, T1

1/3E

-2/3E

1/3E

2 j3
Ee
3

2

T6, T1, T2

2/3E

-1/3E

-1/3E

2  j
Ee
3

-2/3E

2 j3
Ee
3

-1/3E

2 j
Ee
3





3

T1, T2, T3

4

T2, T3, T4

1/3E

-1/3E

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1/3E

2/3E

2
3

/>

9
STT

Van dẫn

uA

uB

uC

u

5

T3, T4, T5

-2/3E

1/3E

1/3E

2  j
Ee
3
2 j
Ee
3

6

T4, T5, T6

-1/3E

-1/3E

2/3E

7

T2, T4, T6

0

0

0

2
3

0

Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính tốn
vectơ khơng gian u, có thể thấy rằng các trạng thái van từ 1 đến 6 ứng với 6
vectơ, có hướng cố định trên mặt phẳng, lệch nhau một góc 60o , được biểu diễn
trên hệ tọa độ 0  , như trên hình 1.4. Các vectơ gọi là vectơ biên chuẩn, tạo nên
đỉnh của một lục giác đều, chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau, gọi là các
vectơ, được đánh số từ I đến VI.
I.2.3.3.Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên
Một vectơ khơng gian bất kì, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó,
có thể được tổng hợp từ hai vectơ biên. Trên hình1.4, giả sử vectơ khơng gian u
nằm trong góc phần sáu thứ I, có thể được thể được tổng hợp từ hai vectơ biên u 1,
u2.
u = up + ut
Trong đó: up và ut gọi là vectơ phải và vectơ trái là hai vectơ nằm dọc theo
hai vectơ biên up, ut.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

Hình 1.4: Vectơ khơng gian và vectơ biên chuẩn
Độ dài vectơ phải, trái được tính như sau:
2


u sin   
3
3

2
ut 
u sin 
3
up 

(1)

 là góc chỉ vị trí tương đối của vectơ u trong góc phần sáu. Thực chất,

phép điều chế vectơ không gian tạo ra các vectơ up, ut trong mỗi chu kỳ tính
tốn, hay cịn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts. Độ dài của các vector này được xác
định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u1, u2 trong mỗi
chu ký Ts như sau:
up 

tp
Ts

up 

u1 ;

tt
ut
Ts

(2)

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của các điện áp
2
3

một chiều đầu vào ui  E  U o . Từ (1) và (2) suy ra biểu thức tính tốn các giá
trị thời gian điều chế:
t p  Ts

Uo 2


sin   ;
Ui 3  3


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

tt  Ts

Uo 2
sin
Ui 3

(3)

/>

11
Đặt q 

Uo
là hệ số biến điệu, 0  q  1 , có thể viết lại biểu thức tính thời gian
U1

như sau:
t p  Ts q

2


sin   ;
3 3


tt  Ts q

2
sin
3

(4)

Điều kiện: tp + tt  Ts
Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t0 = Ts –(tp + tt), phải áp
dụng vector không. Điều kiện trên nói lên rằng vector điện áp ra phải nằm trong
vòng tròn tiếp xúc với các cạnh của lục giác đều như biểu diễn trên hình 1.4 ở
trên.
I.3 PLC S7-300
PLC step S7-300 thuộc họ Simatis do hãng Simen sản xuất.
Trong sơ đồ khối hệ truyền động hình1.1 người ta dùng bộ điều khiển số
PID của PLC S7-300 để làm các bộ điều khiển tốc độ và dòng điện.
I.4. Thiết bị lấy tín hiệu tốc độ
Tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính, vì vậy thiết bị đo tốc độ
có vai trị quan trọng quyết định đến chất lượng động và tĩnh của truyền động.
Hiện nay đo tốc độ trong hệ truyền động, người ta thường dùng:
1. Máy phát tốc một chiều
Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít
thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều
về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo. Ngoài ra cịn có u cầu điện áp
một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải, vào nhiệt độ.
Để đảm bảo yêu cầu trên, máy phát tốc một chiều phải có từ thơng khơng
đổi trong tồn vùng điều chỉnh tốc độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng
việc sử dụng vật liệu từ có trễ hẹp và sử dụng lá thép kỹ thuật điện mỏng (hạn
chế tổn thất dịng điện xoay). Độ chính xác của phát tốc một chiều phụ thuộc vào
tải, mặt khác nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh hưởng tới điện trở phần ứng máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12
phát làm cho điện áp của máy phát thay đổi. Điện áp đầu ra của máy phát tốc còn
bị thay đổi do điện trở của chổi than. Cuối cùng là ảnh hưởng của phản ứng phần
ứng tới hệ số tỉ lệ. Điện áp đầu ra máy phát tốc bao gồm cả thành phần xoay
chiều và sóng điều hịa do tổng số thanh dẫn của máy phát. Các sóng điều hịa
này có tần số cao nên có thể bố trí mạch lọc. Tuy vậy ở một số máy phát tốc lại
phát ra thành phần xoay chiều tần số thấp, không thể lọc được, ảnh hưởng xấu tới
chất lượng điều chỉnh. Để đảm bảo chất lượng điều chỉnh các thành phần xoay
chiều không được vượt quá 10% thành phần một chiều và đảm bảo quan hệ tuyến
tính giữa điện áp ra và tốc độ chính xác nhỏ nhất là 1%.

Hình 1.5: Đặc tính đo máy phát tốc một chiều
2. Máy phát tốc xoay chiều
Phần rotor là nam châm vĩnh cửu, stator là cuộn dây. Điện áp ra máy phát
tốc: U 0  K . cos p pt . Là điện áp xoay chiều, biên độ và tần ssoos của nó tỉ lệ
với tốc độ quay. Phát tốc không xác định được chiều quay nên phải lắp thêm
mạch xác định chiều quay. Để lấy tín hiệu ra người ta dùng mạch chỉnh lưu. Hình
1.9 là sơ đồ nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát xoay chiều đầu ra bộ chỉnh lưu
có bố trí bộ lọc RC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

Hình 1.6 : Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều ba pha

3. Đo tốc độ bằng xung và số(Encoder)
Máy phát tốc độ xung phát ra z xung trong một vòng quay, tần số xung ra:
f 

Z .
2

Đo tốc độ xung thường dùng hai loại, loại dùng điện từ và loại dùng bán
dẫn quang.
- Bộ nhân xung: để nâng cao độ chính xác người ta cần tăng số lượng
xung trong một vòng quay, tuy vậy việc tăng số vạch chia để tăng số xung trong
một vòng quay sẽ bị giới hạn bởi độ tác động nhanh của phần tử quang điện hoặc
phải tăng kích thước của đĩa đo. Nếu hai giới hạn này đã bị giới hạn thì người ta
thiết lập mạch nhân xung để tăng số xung trên đầu ra.

Hình 1.7 : Mạch nhân xung đầu ra phát tốc xung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14
- Lấy tín hiệu tương tự trên đầu ra phát tốc xung với mục đích tạo ra tín
hiệu U  trên đầu ra của phát tốc xung ta dùng mạch biến đổi f/U
- Chuyển tín hiệu phát tốc xung ra tín hiệu số: Trong hệ điều khiển số
truyền động điện cần lấy số liệu bằng số tín hiệu tốc độ, người ta dùng máy phát
tốc xung sau đó biến đổi ra số đưa vào máy tính. Có hai phương pháp đánh giá:
Đo tần số (đếm số xung trong thời gian Tm) và Đo chu kỳ xung (đếm xung nhịp
giữa hai xung).
Đo tần số: Thời gian xung cố định được tính:
Tm 

d
fn

Trong đó: d là tỉ số chia xung, fn là tần số xung nhịp
Xung đo từ phát tốc đưa vào bộ đếm, trong thời gian Tm bộ đếm đưa ra số
N  chỉ giá trị tốc độ bằng hằng số.

N   Tm . f 

d z.
.
f n 2

Đo chu kỳ: Bộ đếm sẽ đếm tổng số xung nhịp trong một chu kỳ xung ra của đầu
đo, tức là: Tm =

1
.d
f

Như vậy số chỉ thị tốc độ sẽ là:

N  Tm . f n  f n .

2d
z

Dung lượng bộ đếm tỉ lệ nghịch với tốc độ quay.
Trong thực tế những mạch truyền động cũng như hệ truyền động trong

phòng thí nghiệm thì người ta thường dùng Encoder để lấy tín hiệu phản hồi âm
tốc độ.
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục.
Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi
đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15
(rãnh), đèn led sẽ chiếu xun qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt
một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta
ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa
chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có
nghĩa là đĩa đã quay được một vịng.
Từ kết quả phân tích trên giúp ta hiểu rõ hệ truyền động biến tần
động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC. Đây là hệ truyền động thơng
minh có nhiều ƣu điểm so với hệ thống truyền động kinh điển. Trong
chƣơng tiếp theo sẽ nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển của hệ điều
khiển này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>