Tài liệu Chương 2: Các phương pháp và sơ đồ ghép nối vi xử lý - máy tính để điều khiển động cơ điện một chiều doc

Chơng 2
các phơng 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 đợc 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 trớc năm 1976 thờng sử dụng loại 4 bit nh 4004,
4040. Khoảng từ những năm 1977 đến 1985 trên thị trờng khá phổ biến
loại 8 bít nh 8080, 8085, Z80... Hiện nay các hệ thống yêu cầu độ chính
xác cao ngời ta th−êng sư dơng c¸c hƯ vi xư lý 16 bits hoặc 32 bits.
Phơng pháp điều khiển xung Transistor

Hình2.1: Sơ đồ nguyên lý ghép nối máy tính điều khiển tốc độ động cơ
Trong đó:

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 lu điện áp cho máy phát tốc.
Máy tính ngoài chức năng làm bộ so sánh, tạo chơng trình điều khiển tốc
độ và định chiều quay cho động cơ còn làm chức năng cđa bé biÕn ®ỉi tÝn
hiƯu ®iỊu khiĨn. TÝn hiƯu 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.

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




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 ngợc 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 dơng làm cho Transistor T1 và T2 dẫn làm cho động cơ sẽ
quay theo chiều ngợc.
Cuộn dây L và tụ C dùng để san bằng điện áp ra của động cơ khi đảo chiều
quay. Hiện tợng này đợc 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. Ngợc 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) nhng 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 ®¶o chiỊu.

E(t ) = C c .n(t )
Søc ®iƯn ®éng 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 A >Vcc và D7 thông, tiếp giáp C - E của Transistor T4 không
phải chịu điện áp ngợc :
Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Líp: §KT§ 2 – K42



U ng = Vcc + E ( t )

mµ chØ là :

U ng = Vcc + 0,7V

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 đợc
chỉnh lu bằng cầu điôt D1 ữ D4 để đa và ADC. Phải dùng cầu chỉnh lu
bởi vì động cơ quay thuận nghịch nên điện áp ở máy phát tốc sẽ lúc dơng

lúc âm tuỳ theo chiều quay của động cơ mà ADC chỉ chịu điện áp analog
đa vào là lớn hơn 0 do vậy phải dùng cầu chỉnh lu để đảm bảo điện áp
vào ADC là luôn dơng. Máy phát tốc chính là đờng phản hồi tốc độ của
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ . Chơng trình điều khiển động cơ trong
máy tính sẽ tính ra sai lệch E và lợng điều khiển U = f (E), sau đó lợng
điều khiển sẽ đến một chơng trình biến lợng điều khiển U thành xung
vuông có độ rộng thay đổi còn biên độ và tần số là hằng số. Đây chính là
phơng pháp điều chế độ rộng xung vuông. Nếu sai lệch lớn thì lợng điều
chỉnh U cũng lớn và do đó độ rộng của xung vuông cũng lớn.
Giả sử ta đang cho động cơ quay ngợc ở của vào U2 ta có xung dơng có
độ rộng . Đầu ra của khuếch đại thuật toán cũng có xung vuông có độ rộng
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 đợc 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
A 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.
Phơng pháp điều khiển động cơ một chiều bằng máy tính và bộ biến đổi
Thyristor
Sơ đồ điều khiển kinh điển
Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42




Trớc khi đi vào xây dựng hệ thống theo yêu cầu, ta xét một sơ đồ điều
khiển động cơ điện mét chiỊu b»ng bé biÕn ®ỉi Thyristor chØnh 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 ca.
3: Bộ so sánh.
4: Bộ khuếch đại xung công suất.
5: Biến áp xung (BAX).
6: Thyristor.

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 – K42




Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




Các điôt D1 ữD4 tạo thành mạch chỉnh lu lới điện 50Hz. Điện áp một
chiều sau bộ chỉnh lu này đợc đa tới khâu đồng pha (1) để tạo ra xung

răng ca. Để tạo ra xung răng ca ta lấy tín hiệu từ khâu đồng pha (1) đa
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 lu. Khi T1 khoá, tụ C1 đợc nạp qua ®iƯn trë R3.
H»ng sè thêi gian n¹p tơ: Tn =R3C1. Khi Transistor T1 mở thì C1 phóng điện
qua T1, hằng sè thêi gian phãng: Tf = RCEC1. V× RCE rÊt nhỏ nên Tf << Tn vì
vậy sờn xung phía trớc thoải, sờn xung phía sau dốc đứng (trên biểu đồ
thời gian ta vẽ cho trờng hợp lý tởng hoá). Đỉnh xung răng ca 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 ca 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 sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của điện áp chủ đạo. Rf làm nhiệm
vụ giảm dòng đa 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
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 ca (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 dơng đa 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

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: §KT§ 2 – K42




Chơng trình điều khiển trong máy tính sau khi đà đợc 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 đa ra ngoài qua bộ biến đổi D/A tới bộ khuếch
đại công suất và biến áp xung để điều khiển Thyristor.

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42




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 lu công suất lớn D1 ữ D4, Thyristor (Th)

các điôt chỉnh lu, cuộn kháng L...
Khi xây dựn xong chơng 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 lu
D1 ữ D4 sẽ cho một điện áp chỉnh lu 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 cha phát ra điện
nhng 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 đa vào bộ biến đổi
A/D. Chơng 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
1 ữ 2 (1 < 2) lúc đó điện áp của bộ chỉnh lu 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.

Sinh viên: Hà Ngọc Thắng Lớp: ĐKTĐ 2 K42