Tài liệu Luận văn nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động

Luận văn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn M ỤC L ỤC MỤC CHƢƠNG I TÊN ĐỀ MỤC TRANG 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 CHƢƠNG 3 III.1. THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƢỜNG 23 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. III.2. Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị nâng Phân tích sai số trạng thái ổn định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 30 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 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 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 49 III.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 49 III.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R 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 khi sử dụng bộ điều khiển PID Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động 57 III.3 III.4. III.6.1. III.6.2. CHƢƠNG cơ điện một chiều kích từ độc lập Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID 57 61 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 IV.5. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển mờ lai cho mạch vòng vị trí 78 IV.5.1. Mờ hóa 78 IV.5. 2. Luật điều khiển và luật hợp thành 80 IV.5.3. Giải mờ 81 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 IV.6. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 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: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 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 RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí (góc), trong đó trục quay của RP1 nối thông với bánh điều khiển làm góc cho trước, trục quay của chiết áp RP2 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 Us, như vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra. R1 R2 RP1 + - R0 RP2 R0 U * R1 + OA1 U  Uct + OA2 Bộ KĐCS điều Ud Khiển được MS đ n Bộ giảm tốc 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, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 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 RP1 và RP2 là như nhau, góc cho trước đ và góc phản hồi  bằng nhau, vì vậy độ lệch góc  = đ  = 0, điện áp ra của chiết áp U* = U, điện áp đầu ra bộ khuếch đại điện áp Uct =0, điện áp đầu ra của bộ khuếch đại công suất đảo chiều Ud = 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,  > 0, thì U* > U, Uct > 0, Ud > 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 RP2 khiến cho  cũng tăng lên. Chỉ cần  < đ thì động cơ luôn luôn quay theo chiều để ra đa thu hẹp độ lệch, chỉ có lúc đ = , độ lệch  = 0, Uct = 0, Ud = 0 hệ thống mới ngừng quay rồi ở vào trạng thái ổn định mới ( trạng thái xác lập). Nếu góc cho trước 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  bám đuổi chính xác đại lượng cho trước 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Vị trí cho trước đ + -  Vị trí bộ điều tiết Vị trí đo kiểm Bộ điều khiển tốc độ Phụ tải Khuếch đại công suất SM CKT 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 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 hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Bàn máy Số liệu cho trước đ D A Bộ nhận diện pha Bộ điều khiển tốc độ Động cơ chấp hành 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  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 0.001m, 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 đ với góc pha phản hồi , đổi độ lệch của chúng  = đ -  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  luôn bám sát 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 I.4.2.2. Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số Bàn máy Số liệu cho trước D * Bộ thuật toán đảo chiều D A Bộ điều khiển tốc 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 + Do, trong đó Do 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 Bàn máy Số liệu D cho trước * Bộ thuật toán đảo chiều D A Bộ điều khiển tốc độ Động cơ chấp hành D Vị trí đo kiểm (Đĩa mã quang điện) Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Cuén d©y Stato Cuén d©y Roto ~uf 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 120o 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 ubs của chuyển vị góc, như trên hình 2-2.    ~uf ia a1 e1a a2 ubs o c1 e1c bst ' o' e1b b1 c2 b2 bsr ic ib Hình 2-2 Mạch điện Sensin kiểu điều khiển Công thức biểu thị điện áp kích từ xoay chiều một pha uf của máy phát tin là: U ï t   U m Sint Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Dòng điện do nó gây nên sinh ra từ thông f trong lõi sắt của máy phát tin, kéo theo là sức điện động cảm ứng e1a, e1b, e1c trên ba cuộn dây OA1, OB1, OC1. Các sức điện động này về mặt thời gian là đồng pha, độ lớn của chúng tỷ lệ với thành phần từ thông 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 OA1 của tổ dây pha A1 tại vị trí 0, lúc đường tâm trục tổ cuộn dây rôto bắt đầu từ vị trí 0 quay đi một góc 1, thì sức điện động cảm ứng của tổ cuộn dây 3 pha máy phát tin là: e1a = k bs U fm sin ωt cos θ1 e1a = k bs U fm sin ωt cos (120 o - θ1 ) e1a = k bs U fm sin ωt cos (120 o + θ1 ) Trong đó, kbs 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 sin (ωt - α )cos θ1 Z k U i a = bs ïm sin (ωt - α) cos (120 o - θ1 ) Z k U i a = bs ïm sin (ωt - α) cos (120 o + θ1 ) Z ia = 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Nếu góc trở kháng là  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: F2a = F sin (ωt - α) cos θ1 F2a = F sin (ωt - α) cos (120 o - θ1 ) F2a = F sin (ωt - α) cos (120 o + θ1 ) Trong đó: F-giá trị biên độ sức từ động của hệ số liên quan bao gồm giá trị dòng điện K bsU 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: F2, a = F2 a cos θ 2 F2, b = F2 a cos (120 o - θ 2 ) F2, c = F2 a cos (120 o + θ 2 ) Sức từ động tổng hợp trên đường trục tổ cuộn dây trên rôto máy nhận tin là: , , , F2  F2a  F2b  F2c Sức từ động tổng hợp trong lõi sắt từ sinh ra từ thông tổng hợp 2, sau đó trong cuộn dây rôto máy nhận tin sinh ra điện áp cảm ứng ubs, điện áp này về mặt thời gian vượt trước từ thông 2 một góc 90o, vì vậy: ubs= Ubsmsin(t-  + 90o)cos(1- 2) (2-1) Trong đó: Ubsm- là giá trị cực đại của điện áp đầu ra ubs Từ biểu thức (2-1) có thể thấy: (1)Điện áp đầu ra ubs của máy tự chỉnh góc là hàm số cosin của sai số góc, lúc 1=2, cos(1- 2) = 1, u bs là cực đại. (2)ubs là điện áp xoay chiều một pha, về mặt thời gian nó vượt trước điện áp kích từ Uf trên rôto máy phát tin một góc là (90o- ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Nhưng quan hệ ở (1) không tiện dụng, vì khi sai số góc  = 1- 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  = 0, điện áp đầu ra cũng bằng không. Mặt khác khi 2 vượt trước 1, sai số góc  < 0, nhưng bởi vì cos(-) = cos, nghĩa là góc pha của điện áp ubs không phản ánh đúng cực tính của sai số góc. Vì vậy, lúc lấy đường trục A1 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 A2 của tổ cuộn dây stator ở vị trí vuông góc đổi thành vị trí 0 của máy nhận tin như trên hình 2-3.   a1 a2  ~uf o ubs ' o' c1 b1 bst c2 b2 bsr Hình 2-3 Vị trí 0 của máy tự chỉnh góc Trong hình 1 = 0 là vị trí 0 của máy phát tin,  2,  0 là vị trí 0 của máy nhận tin, thì  2   2,  90o ban đầu của máy nhận tin thay vào biểu thức 2-1 sẽ có:        ubs U bsm sin t    90 o . cos 1   2,  90 o  U bsm sin t    90 o sin 1   2,,  Cũng có thể viết thành: u bs = U bsm sin Δθ sin (ωt + 90 o ) (2 - 2) Trong đó: - góc mất điều chỉnh,   1  2, Như vậy lúc góc mất điều chỉnh  = 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 điện áp đầu ra ubs 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 . Máy tự chỉnh góc phân ra ba cấp chính xác là 1,2,3, sai số nằm trong khoảng 0.250 đến 0.750. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn