Điều khiển động cơ điện một chiều Phần 2

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Ch−¬ng 2

c¸c ph−¬ng ph¸p vµ s¬ ®å ghÐp nèi vi xö lý - m¸y tÝnh ®Ó

®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu

HiÖn nay do c«ng nghÖ m¹ch tæ hîp ph¸t triÓn m¹nh mÏ nªn gi¸ thµnh c¸c

thiÕt bÞ IC rÊt h¹. Trong c«ng nghiÖp kü thuËt ®iÒu khiÓn sè ®−îc ¸p dông

mét c¸ch rÊt réng r·i. ë møc ®é ®¬n gi¶n, cã thÓ thùc hiÖn bé ®iÒu khiÓn

b»ng c¸c IC rêi r¹c cì nhá. ë møc ®é trung b×nh cã thÓ sö dông c¸c µP vµ

c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi ®¬n gi¶n. ë nh÷ng m¸y mãc vµ hÖ thèng phøc t¹p yªu

cÇu ®Æc tÝnh kü thuËt cao cã thÓ sö dông microcomputer. C¸c hÖ vi xö lý

trong c«ng nghiÖp tr−íc n¨m 1976 th−êng sö dông lo¹i 4 bit nh− 4004,

4040. Kho¶ng tõ nh÷ng n¨m 1977 ®Õn 1985 trªn thÞ tr−êng kh¸ phæ biÕn

lo¹i 8 bÝt nh− 8080, 8085, Z80... HiÖn nay c¸c hÖ thèng yªu cÇu ®é chÝnh

x¸c cao ng−êi ta th−êng sö dông c¸c hÖ vi xö lý 16 bits hoÆc 32 bits.

Ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn xung Transistor

H×nh2.1: S¬ ®å nguyªn lý ghÐp nèi m¸y tÝnh ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬

Trong ®ã:

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

K§CS: bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt.

§C: ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu.

FT : m¸y ph¸t tèc.

CL : m¹ch chØnh l−u ®iÖn ¸p cho m¸y ph¸t tèc.

M¸y tÝnh ngoµi chøc n¨ng lµm bé so s¸nh, t¹o ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tèc

®é vµ ®Þnh chiÒu quay cho ®éng c¬ cßn lµm chøc n¨ng cña bé biÕn ®æi tÝn

hiÖu ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu ra cña bé DAC lµ c¸c xung vu«ng cã ®é réng thay

®æi T = f(E). víi E lµ sai lÖch gi÷a gi¸ trÞ thùc vµ gi¸ trÞ ®Æt. Bé khuÕch ®¹i

c«ng suÊt chØ ®¬n thuÇn lµm nhiÖm vô phèi hîp t¶i, cung cÊp dßng ®iÖn ®Ó

®éng c¬ lµm viÖc.

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42 Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¹ch.

KhuÕch ®¹i thuËt to¸n lµm nhiÖm vô cña bé phËn kªnh. Khi ®Çu vµo (-) cã

tÝn hiÖu U1> 0 cßn U2 = 0 th× ®Çu ra khuÕch ®¹i thuËt to¸n b·o hoµ ©m. ThÕ ©m ®Æt vµo c¸c ch©n baz¬ cña Transistor T1 vµ T3 do ®ã T3 ph©n cùc thuËn nªn dÉn cßn T1 ph©n cùc ng−îc nªn kho¸. T3 dÉn nªn T4 dÉn vµ ®éng c¬ quay theo chiÒu thuËn. Khi U1 = 0 vµ U2 > 0 th× ®Çu ra khuÕch ®¹i thuËt to¸n b·o hoµ d−¬ng lµm cho Transistor T1 vµ T2 dÉn lµm cho ®éng c¬ sÏ quay theo chiÒu ng−îc.

Cuén d©y L vµ tô C dïng ®Ó san b»ng ®iÖn ¸p ra cña ®éng c¬ khi ®¶o chiÒu

quay. HiÖn t−îng nµy ®−îc gi¶i thÝch nh− sau: ta biÕt r»ng m¸y ®iÖn mét

chiÒu cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é ®éng c¬ hoÆc chÕ ®é m¸y ph¸t. Khi ta ®Æt

®iÖn ¸p kÝch tõ hay ®iÖn ¸p phÇn øng cho m¸y ®iÖn th× sÏ sinh ra trong m¸y

®iÖn mét m«men lµm quay rotor vµ m¸y ®iÖn mét chiÒu lµm viÖc ë chÕ ®é

®éng c¬. Ng−îc l¹i khi quay rotor cña m¸y ®iÖn mét chiÒu vµ ®Æt ®iÖn ¸p

kÝch tõ cho nã lóc nµy m¸y ®iÖn mét chiÒu lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t. Khi

ta ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu, lóc ®ã ta kh«ng ®Æt ®iÖn ¸p

vµo phÇn øng ®éng c¬ n÷a (Uu = 0) nh−ng ®éng c¬ vÉn quay theo qu¸n tÝnh vÉn cã kÝch tõ do vËy ë phÇn øng ®éng c¬ ta cã mét søc ®iÖn ®éng vµ ®éng

c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t. §é lín cña søc ®iÖn ®éng nµy phô thuéc vµo

c= )t(n.C)t(E

tèc ®é ®éng c¬ lóc ®¶o chiÒu.

Søc ®iÖn ®éng nµy gi¶m dÇn theo thêi gian v× tèc ®é n(t) sÏ gi¶m dÇn. Do

®ã ®Ó b¶o vÖ c¸c Transistor T2 vµ T4 ta m¾c thªm D7 vµ D8 nèi gi÷a colector vµ emitor cña c¸c Transistor nµy. Khi ®éng c¬ quay thuËn mµ ta ®¶o chiÒu

quay th× thÕ ϕA >Vcc vµ D7 th«ng, tiÕp gi¸p C - E cña Transistor T4 kh«ng

ph¶i chÞu ®iÖn ¸p ng−îc :

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

=

+

U

V

)t(E

ng

cc

=

+

U

V

V7,0

ng

cc

mµ chØ lµ :

M¸y ph¸t tèc vµ ®éng c¬ cã trôc g¾n trùc tiÕp víi nhau. §iÖn ¸p phÇn øng

cña m¸y ph¸t tèc ph¶n ¸nh tèc ®é thùc tÕ cña ®éng c¬. §iÖn ¸p nµy ®−îc

chØnh l−u b»ng cÇu ®i«t D1 ÷ D4 ®Ó ®−a vµ ADC. Ph¶i dïng cÇu chØnh l−u

bëi v× ®éng c¬ quay thuËn nghÞch nªn ®iÖn ¸p ë m¸y ph¸t tèc sÏ lóc d−¬ng

lóc ©m tuú theo chiÒu quay cña ®éng c¬ mµ ADC chØ chÞu ®iÖn ¸p analog

®−a vµo lµ lín h¬n 0 do vËy ph¶i dïng cÇu chØnh l−u ®Ó ®¶m b¶o ®iÖn ¸p

vµo ADC lµ lu«n d−¬ng. M¸y ph¸t tèc chÝnh lµ ®−êng ph¶n håi tèc ®é cña

hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ . Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn ®éng c¬ trong

m¸y tÝnh sÏ tÝnh ra sai lÖch E vµ l−îng ®iÒu khiÓn U = f (E), sau ®ã l−îng

®iÒu khiÓn sÏ ®Õn mét ch−¬ng tr×nh biÕn l−îng ®iÒu khiÓn U thµnh xung

vu«ng cã ®é réng thay ®æi cßn biªn ®é vµ tÇn sè lµ h»ng sè. §©y chÝnh lµ

ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ®é réng xung vu«ng. NÕu sai lÖch lín th× l−îng ®iÒu

chØnh U còng lín vµ do ®ã ®é réng cña xung vu«ng còng lín.

Gi¶ sö ta ®ang cho ®éng c¬ quay ng−îc ë cña vµo U2 ta cã xung d−¬ng cã

®é réng τ. §Çu ra cña khuÕch ®¹i thuËt to¸n còng cã xung vu«ng cã ®é réng

τ c¸c Transistor T1 vµ T2 sÏ më vµ thay ®æi tèc ®é ®éng c¬. Khi ta ®¶o chiÒu

®éng c¬ th× c¸c ®Çu ra cña ADC ®Òu b»ng 0 vµ c¸c Transistor T1 ÷ T2 ®Òu

kho¸. §éng c¬ ®−îc ng¾t khái m¹ch ®éng lùc. R4 lµ triÕt ¸p dïng ®Ó ®iÒu chØnh cho 2 kªnh ®iÒu khiÓn c©n b»ng nhau. Tøc lµ khi U1 = U2 = 0 th× thÕ

ϕA b»ng thÕ ®Çu ra cña khuÕch ®¹i thuËt to¸n. C¸c ®ièt D5, D6 dïng ®Ó æn

®Þnh ®iÖn ¸p cung cÊp cho khuÕch ®¹i thuËt to¸n.

Ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu b»ng m¸y tÝnh vµ bé biÕn ®æi

Thyristor

S¬ ®å ®iÒu khiÓn kinh ®iÓn

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Tr−íc khi ®i vµo x©y dùng hÖ thèng theo yªu cÇu, ta xÐt mét s¬ ®å ®iÒu

khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu b»ng bé biÕn ®æi Thyristor chØnh l−u hai nöa

chu kú kinh ®iÓn sau:

H×nh 2.3 - S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu

Trong ®ã:

1: Bé t¹o ®iÖn ¸p ®ång pha.

2: M¸y ph¸t xung r¨ng c−a.

3: Bé so s¸nh.

4: Bé khuÕch ®¹i xung c«ng suÊt.

5: BiÕn ¸p xung (BAX).

6: Thyristor.

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42 Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

C¸c ®i«t D1 ÷D4 t¹o thµnh m¹ch chØnh l−u l−íi ®iÖn 50Hz. §iÖn ¸p mét

chiÒu sau bé chØnh l−u nµy ®−îc ®−a tíi kh©u ®ång pha (1) ®Ó t¹o ra xung

r¨ng c−a. §Ó t¹o ra xung r¨ng c−a ta lÊy tÝn hiÖu tõ kh©u ®ång pha (1) ®−a

vµo m¹ch t¹o xung theo nguyªn lý phãng n¹p tô. Transistor T1 ®ãng më víi tÇn sè f=100Hz do sù so s¸nh gi÷a thÕ nguån mét chiÒu (+15V) vµ tÝn hiÖu

®iÖn ¸p sau khi chØnh l−u. Khi T1 kho¸, tô C1 ®−îc n¹p qua ®iÖn trë R3. H»ng sè thêi gian n¹p tô: Tn =R3C1. Khi Transistor T1 më th× C1 phãng ®iÖn qua T1, h»ng sè thêi gian phãng: Tf = RCEC1. V× RCE rÊt nhá nªn Tf << Tn v× vËy s−ên xung phÝa tr−íc tho¶i, s−ên xung phÝa sau dèc ®øng (trªn biÓu ®å

thêi gian ta vÏ cho tr−êng hîp lý t−ëng ho¸). §Ønh xung r¨ng c−a cã biªn ®é

10V. §iÖn ¸p chñ ®¹o Uc® cã gi¸ trÞ tõ 0V ®Õn 10V. §é lín cña tÝn hiÖu nµy phô thuéc vµo ®iÓm ®Æt. Kh©u so s¸nh tiÕp theo kh©u ®ång pha dïng

khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®Ó so s¸nh tÝn hiÖu ®iÖn ¸p r¨ng c−a víi ®iÖn ¸p chñ

®¹o. T¹i thêi ®iÓm hai tÝn hiÖu nµy b»ng nhau, khuÕch ®¹i thuËt to¸n sÏ lËt

tr¹ng th¸i , ë ®Çu ra cña khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®iÖn ¸p ra cã d¹ng lµ c¸c

chuçi xung ch÷ nhËt. Khi cã c¸c xung ©m cña Transistor T2 vµ T3 sÏ më cho dßng qua cuén s¬ cÊp cña m¸y biÕn ¸p xung (5) vµ phÝa cuén thø cÊp sÏ cã

xung ra. PhÇn m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt nµy dïng hai Transistor m¾c theo

kiÓu Darlington.

Nh− vËy gãc α sÏ tuú thuéc vµo ®é lín cña ®iÖn ¸p chñ ®¹o. Rf lµm nhiÖm

vô gi¶m dßng ®−a vµo cùc ®iÒu khiÓn cña Thyristor.

Ta thÊy trong s¬ ®å ®iÒu khiÓn xung Thyristor b¾t buéc ph¶i cã ®iÖn ¸p

®ång pha ®Ó ®¶m b¶o qóa tr×nh ®iÒu khiÓn thay ®æi nhÞp nhµng víi pha ®iÖn

¸p ®éng lùc. Gi÷a phÇn ®éng lùc ( ®iÖn ¸p cao) vµ phÇn ®iÒu khiÓn ( ®iÖn ¸p

thÊp) ph¶i sö dông biÕn ¸p xung nh»m chØ thùc hiÖn liªn hÖ b»ng tõ mµ

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com c¸ch ly hoµn toµn vÒ ®iÖn ®Ó sao cho ®iÖn ¸p cao kh«ng trµn sang ph¸ háng

c¸c thiÕt bÞ b¸n dÉn. Ta cã thÓ bá hai khèi: ph¸t xung r¨ng c−a (2) vµ khèi

so s¸nh (3) nhê thiÕt bÞ bªn trong vµ ®iÒu khiÓn b»ng phÇn mÒm. Khi ®ã ta

chØ sö dông khèi ®ång pha (1). ViÖc t¹o tÝn hiÖu ®ång pha rÊt ®¬n gi¶n v×

chØ cÇn t¹o ®iÖn ¸p d−¬ng ®−a vµo A/D cña m¸y tÝnh.

H×nh 2.6 - S¬ ®å nguyªn lý thùc hiÖn ®ång pha trong m¸y tÝnh

S¬ ®å ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu b»ng m¸y tÝnh vµ bé biÕn ®æi Thyristor.

H×nh 2.7 - S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn §CMC

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn trong m¸y tÝnh sau khi ®· ®−îc ®ång bé ho¸ víi Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn trong m¸y tÝnh sau khi ®· ®−îc ®ång bé ho¸ víi

tÝn hiÖu xoay chiÒu c«ng suÊt lín qua khèi ®ång pha (§F) sÏ t¹o ra xung tÝn hiÖu xoay chiÒu c«ng suÊt lín qua khèi ®ång pha (§F) sÏ t¹o ra xung

hÑp cã ®é réng cÇn thiÕt ®Ó ®−a ra ngoµi qua bé biÕn ®æi D/A tíi bé khuÕch hÑp cã ®é réng cÇn thiÕt ®Ó ®−a ra ngoµi qua bé biÕn ®æi D/A tíi bé khuÕch

®¹i c«ng suÊt vµ biÕn ¸p xung ®Ó ®iÒu khiÓn Thyristor. ®¹i c«ng suÊt vµ biÕn ¸p xung ®Ó ®iÒu khiÓn Thyristor.

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42 Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42

Nguyenvanbientbd47@gmail.com

S¬ ®å nguyªn lý gåm cã bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt dïng hai Thyristor T1 vµ

T2, biÕn ¸p xung (BAX) bé chØnh l−u c«ng suÊt lín D1 ÷ D4, Thyristor (Th)

c¸c ®i«t chØnh l−u, cuén kh¸ng L...

Khi x©y dùn xong ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn trªn m¸y tÝnh ta cã

thÓ ®Æt tèc ®é tõ bµn phÝm khi ®ã bé biÓn ®æi D/A sÏ cho ra mét xung ®iÖn

¸p. Lóc ®ã bé khuÕch ®¹i T1 vµ T2vµ BAX sÏ më Thyristor vµ bé chØnh l−u

D1 ÷ D4 sÏ cho mét ®iÖn ¸p chØnh l−u x¸c ®Þnh (UCL) cung cÊp cho ®éng c¬

lµm viÖc. Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®éng c¬ t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu lµ lín nhÊt

vµ ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é khëi ®éng. Lóc ®Çu ®éng c¬ cßn ®øng yªn vµ

b¾t ®Çu quay víi tèc ®é thÊp, m¸y ph¸t tèc ban ®Çu ch−a ph¸t ra ®iÖn

nh−ng khi tèc ®é ®éng c¬ dÇn dÇn t¨ng lªn th× ®iÖn ¸p ra cña m¸y ph¸t tèc

còng t¨ng theo. §iÖn ¸p ph¶n håi lÊy tõ m¸y ph¸t tèc ®−a vµo bé biÕn ®æi

A/D. Ch−¬ng tr×nh trong m¸y tÝnh sÏ thùc hiÖn phÐp trõ cña gi¸ trÞ ®Æt tèc

®é víi tÝn hiÖu ph¶n håi nµy vµ cho xung ra ®iÒu khiÓn tõ D/A t¨ng dÇn tõ

α1 ÷ α2 (α1 < α2) lóc ®ã ®iÖn ¸p cña bé chØnh l−u sÏ gi¶m xuèng, ®éng c¬ sÏ

lµm viÖc víi mét tèc ®é æn ®Þnh. Muèn thay ®æi tèc ®é ®éng c¬ ta chØ viÖc

thay ®æi gi¸ trÞ ®Æt tõ bµn phÝm.

Sinh viªn: Hµ Ngäc Th¾ng Líp: §KT§ 2 – K42