Thiết kế hệ thống truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng hệ Chỉnh lưu – động cơ một chiều

ần mạch riêng để thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ đã nêu, có trường hợp chỉ có một hoặc một số mạch nhất định nào đó. Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của máy doa là mạch động lực sử dụng sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha nên trong mạch điều khiển sử dụng các khâu như sau: Mạch sửa xung Mạch khuếch đại xung và mạch truyền xung. 2.3.1 Mạch sửa xung Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thấy đổi trị số điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Tiristor hoặc độ dài xung quá lớn, gây tổn thất lớn trong mạch phát xung. Mạch sửa xung nhằm khắc phục các vấn đề nêu trên. Mạch làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm xuất hiện của mỗi xung. Sơ đồ nguyên lý của một mạch sửa xung như hình vẽ. Trong sơ đồ: Uv là điện áp vào của mạch, đó chính là điện áp ra của khâu so sánh (điểm E) có mức bão hoà dương và âm. Các phần tử R11 và C2 sẽ quyết định độ dài của xung ra. Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung - Nguyên lý làm việc: Khi điện áp vào Uv ở mức bão hoà dương, tín hiệu khi qua khuếch đại thuật toán đảo sẽ cho tín hiệu âm đặt lên tụ điện C (phía trái), còn phía phải của tụ có điện áp dương. Do thế cực gốc của Tr6 dương hơn thế cực phát Tr6 và cùng với điện trở định thiên R12, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (+ Ucc qua +C2 → R11 → Tr6 → phái trái tụ → -Ucc). Tr6 mở bão hoà làm điểm F có mức lôgíc “0”. Mức lôgíc này tồn tại trong suốt quá trình Uv bão hoà dương. Khi điện áp Uv ở mức bão hoà âm, tụ C2 phóng điện (+C2 → IC → D1 → R11 → -C2) đặt thế âm lên mạch phát – gốc của Tr6 làm Tr6 khoá dẫn đến điểm F có mức lôgíc “1”, nghĩa là đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura ≈ Ucc. Khi C2 phóng hết điện tích, nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà thế (+) lại đặt lên mạch phát – gốc của Tr6 làm đầu ra lại có mức lôgíc “0”. Mặc dù còn xung âm ở đầu vào nhưng nhờ có R12 mà Tr6 mở bão hoà. Thời gian tồn tại xung được xác định theo biểu thức: tx = R12 .C1.ln2 Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào giá trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi. Hình 3-11: Giản đồ điện áp khâu sửa xung 2.3.2. Mạch khuếch đại và truyền xung * Mạch khuếch đại Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại bằng Ti và Tr. Tín hiệu đầu vào của Uv của mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Tr ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn). Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transisto có hệ số khuyếch đại dòng điện: b = b1. Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại và truyền xung - Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: - Tác dụng của D2 là điôt có tác dụng như sau: Sau khi mất xung vào các Transtor khóa lại và gây nên sự giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp W1 của BAX làm xuất hiện các xung điện áp có cực tính ngược với khi mở các Transito (được gọi là xung âm) thì xung trên cuộn sơ cấp đặt thuận lên D2 làm D2 mở. Do vậy mà dòng điện qua cuộn sơ cấp BAX không giảm đột ngột mà vẫn được duy trì qua D1 nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ. Trong trường hợp này thì điện áp tổng trên W1 bằng sụt áp trên một điốt mở và sức điện động cảm ứng trên W1 bằng sụt điện áp trên D1 cộng với sụt áp trên điện trở của cuộn sơ cấp cũng có giá trị rất nhỏ. Vì vậy mà xung trên cuộn thứ cấp cũng có giá trị không đáng kể nên rất an toàn cho các Transitor, đồng thời hạn chế quá điện áp trên Transitor. - D3: Để bảo vệ cuộn dây thứ cấp của BAX như đối với D2 của mạch sơ cấp. - D4: Để ngăn xung âm có thể tới cực điều khiển của Tiristor như các Transistor khác. Ngăn không cho dòng điện chảy ngược từ Tr về BAX - Tr7, Tr8: Khuếch đại công suất vào - Các điện trở R16 và R17: Để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. - Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Trong đó: - txv là thời gian tồn tại của một xung điện áp vào - tbh là thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn dây sơ cấp của BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hoà) đến lúc lõi thép bão hoà từ. - txr là thời gian tồn tại của xung ra. Hình 3-13: Giản đồ điện áp đầu ra của biến áp xung Xét trường hợp tbh > txv: - Khi t < t1: Chưa có xung vào, không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. Tr7, Tr8 khóa không có xung điều khiển. - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7, Tr8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển nên cuộn W1 có dòng điện chạy qua, làm cảm ứng sang phía thứ cấp xung điện áp, tạo dòng điện qua D4 đến mạch G - K của Ti. - Khi t = t2: (lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. Tr7, Tr8 đóng dòng điện sơ cấp giảm về không qua D2. Bên thứ cấp có s.đ.đ cảm ứng (ngược chiều với ban đầu do tự cảm) nhưng nhờ D4 mà xung âm không truyền tới Ti. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 thiêu tán trên điện trở. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. Khi tbh < txv: - Khi t < t1: Chưa có xung đầu vào, Tr7, Tr8 khoá, không có xung điều khiển. - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7, Tr8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển. - Khi t = t1 + tbh: Mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép bằng const nên mất xung cảm ứng trên W2. - Khi t = t2: Dòng điện sơ cấp về không làm xuất hiện xung âm trên dây quấn thứ cấp nhưng không đưa đến mạch G - K như đã nói trên. Như vậy thời gian làm việc của mạch từ BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung điều khiển. Khi tbh > txv thì độ dài xung điều khiển bằng độ dài xung vào. Còn trong trường hợp ngược lại, độ dài xung điều khiển chính bằng thời gian bão hoà mạch từ của BAX. Do đó cần cho BAX có thời gian bão hoà từ đủ lớn. * Mạch truyền xung Thông thường có 2 cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển mạch G - K của Thyristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung. Để truyền xung điều khiển đến các chân điều khiển của các Tiristor tốt nhất là dùng biến áp xung. Truyền xung qua BAX có ưu điểm là: - Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. - Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các Tiristor mắc nối tiếp nhau hoặc song song bằng cách dùng BAX nhiều cuộn thứ cấp. - Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuyếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên cực điều khiển của Ti nhờ việc chọn tỷ số BAX hợp lý. - BAX về cơ bản kết cấu giống như biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự biến áp thờng với dòng điện không sin hoặc có thể xác định như là phi tuyến và sẽ bằng không khi mạch từ bão hoà. BAX có mạch từ rất chóng bão hoà, nó chỉ hoạt động trong thời gian ngắn. -Ucc w3 D BAX Hình 3-14: Sơ đồ nguyên lý mạch truyền xung Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung của pha A IV. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tâng khuếch đại ngược trở lên. Công suất cho tầng khuếch đại để tính là thông số của cực điều khiển Tristor (Uđk, Iđk). Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tristor. Mạch điều khiển từ các thông số cơ bản sau: + Điện áp ngược cực đại: Un = 600 V + Dòng điện định mức của van: Idm = 46 A + Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 1000 A + Dòng điện xung điều khiển: Idk =1,5 A + Điện áp của xung điều khiển: Udk = 2,5V + Dòng điện rò: Ir = 10 mA + Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn là: = 1,9V + Tốc độ biến thiên điện áp: 400V/s + Thời gian chuyển mạch: tcm = 60 + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C + Độ rộng của xung điều khiển: tx = 2. tm = 2.60 = 120 + Tần số xung điều khiển: fx = 3 kHz 1. Tính chọn BAX Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá DB = 0,3T; DH = 30A/m không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung thường là Ta chọn n = 3 - Để đảm bảo tristor mở khi điện áp lưới dao động ta chọn điện áp đặt lên cuộn thứ cấp BAX là: U2 = Uđk = 2,5V - Để đảm bảo tristor mở ta chọn dòng điện đặt lên cuộn thứ cấp BAX là: I2 = Iđk = 1,5A - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA là: U1 = m.U2 = 3×2,5= 7,5 V - Dòng điện đặt lên sơ cấp BAX là: - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt từ là: Trong đó: (H/m) là độ từ thẩm của không khí - Thể tích lõi sắt từ cần có: Với Q là tiết diện lõi sắt là dòng thứ cấp quy đổi sang sơ cấp Chọn V = 0,834.10-6 m3 = 0,834 cm3 ta chọn mạch từ OA-20/25-6,5 có thể tích V = Q. l = 0,162.7,1 = 1,15 cm3. Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: (Theo bảng II.2. Điện tử công suất) Q = 0,163 cm2 = 16,3 mm2, a = 2,5 mm, b = 6,5 mm, Qcs = 3,14 cm2 d = 20 mm, D = 25 mm, chiều dài trung bình l = 7,1 cm - Số vòng quấn dây cuộn sơ cấp BAX: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 = w1.Q.dB/dt = w1.Q.B/tx w1 = = 227 vòng - Số vòng dây quấn thứ cấp: w2 = w1/m = 227/3 =75(vòng) - Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1= = = 0,001 mm2 (Chọn mật độ dòng điện là J1 = 6 (A/mm2) - Đường kính dây quấn sơ cấp MBA là: d1 = 0,084 mm (Chọn dây có đường kính d1 = 0,1 mm; S2 = 0,00785 mm2) - Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = = 0,05 mm2 (Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2) - Đường kính dây quấn thứ cấp MBA là: d2 = 0,178 mm (Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 mm; S2 = 0,02545 mm2) - Kiểm tra hệ số lấp đầy: Klđ = Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết Hình 3-16: Hình chiếu lõi biến áp xung 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emito là: UCBO = 40V Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto là: UEBO = 4V Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chụi đựng là: Icmax = 500 mA Công suất tiêu tán Colecto là: Pc = 1,7ww Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp là: T1 = 1750C Dòng làm việc của Colecto là: Ic3 = I1 = 33,3 mA Dòng làm việc của Bazo là; IB3 = IC3/ = 33,3/50 = 0,66 mA Ta thấy với Tristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 1,4V, Iđk = 0,2A; nên dòng Colecto - bazo của Transitor Tr3 khá bé, nên trong trường hợp này ta có thể không cần Transitor Tr2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Transitor. Chọn nguồn cấp cho BAX là +15V ta phải mắc thêm điện trở R14 nối tiếp với cực Emito của Tr3. R14 = 90 Tất cả các diot trong mạch điều dùng loại 1N4009 có các tham số sau: - Dòng điện định mức: Iđm = 30A - Điện áp ngược lớn nhất: Un = 25V - Điện áp cho Diot mở thông: Um = 1V 3. Tính chọn C2 và R11 Điện trở R11 dùng để hạn chế dòng điện dưa vào Bazo của Transitor Tr3, chọn R11 thõa mãn các điều kiện: R11 = Chọn R11 = 8 k Trong đó: C2.R11 = tx = 240 . Từ đó suy ra: C2 = tx/R9 = 240/8.103 = 0,03. Từ đó ta chọn C2 = 0,03 . 4. Tính chọn tầng so sánh Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL084. Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 15V thì điện áp vào A3 là Uv = 15V Dòng điện vào được hạn chế để Ilv > 1mA. Chọn R7 = R8 > Uv/Iv = 15/1.10-3 = 15 k Do đó chọn R7 = R8 = 15 k khi đó dòng vào A3: Ivmax = 15/(15.103) = 1 mA 5. Tính chọn khâu đồng pha (mạch đồng bộ hóa) Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C, mặt khác để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R1.C = 0,005s Chọn tụ C = 0,1 thì điện trở R1= Tr/C= 0,005 / 0,1.10-6. Vậy: R1= 50. 103 (Ω)= 50(kΩ). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R1. Thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ, chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si - Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 25 (v) - Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 (v) - Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng: Icmax = 100 (mA). - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 1500 C - Hệ số khuếch đại: β = 250 - Dòng cực đại của Bazơ: IB3 =Ic /β = 100/250 = 0,4 (A) 6. Tính chọn khâu tạo điện áp chủ đạo Chọn biến trở: RWR4 = 4,7 KW công suất tiêu tán trên biến trở là: . Ta chọn R3 = 4,7 KW V. THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG GIAN Mạch khuếch đại trung gian bao gồm các khâu tạo điện áp chủ đạo, khâu tổng hợp tín hiệu, khâu phản hồi âm dòng điện và âm tốc độ. Các khâu này đều sử dụng mạch khuếch đại thuật toán nên tín hiệu ra quan hệ tuyến tính với tín hiệu vào thông qua bộ khuếch đại. 1. Mạch tạo nguồn nuôi Để hệ thống làm việc ổn định ta phải có nguồn nuôi một chiều ổn định cung cấp cho hệ thống. Nguồn một chiều này được lấy từ cuộn dây của máy biến áp động lực. Nguồn xoay chiều ba pha được đưa qua mạch chỉnh lưu hình tia và cho ra điện áp một chiều. Điện áp một chiều này được ổn định nhờ IC ổn áp 7815 có điện áp ra +15v và IC ổn áp 7915 có điện áp ra -15v và được lọc bởi các tụ điện C. Nguồn nuôi một chiều cung cấp đến các tầng của mạch điều khiển và nó cũng là điện áp ngưỡng. Do trong mạch có sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán, ta cần phải sử dụng hai nguồn nuôi ngược dấu nối tiếp nhau và có điểm chung là điểm nối mát. Ta thiết kế mạch này như sau: +15 V - 15 V - 24 V 7815 7915 Hình 3-17: Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu nhờ hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia, điện áp ra được ổn định nhờ các vi mạch ổn áp và được lọc bởi các tụ đưa ra hai nguồn +15V và -15V có điểm chung là điểm 0 của biến áp. Hai nguồn này sẽ nuôi cho các vi mạch và làm nguồn điện áp ngưỡng. Sở dĩ phải có nguồn -24V là do công suất của các vi mạch hạn chế, nếu sử dụng cho mạch khuyếch đại xung đòi hỏi công suất lớn thì các vi mạch ổn áp sẽ bị quá nhiệt. Do đó nguồn nuôi cho mạch khuyếch đại xung được lấy ở trước các vi mạch ổn áp. Nguồn này cần có điện áp lớn để khi điện áp lưới dao động vẫn đảm bảo điện áp ra của BAX đủ mở chắc chắn các Tiristor. Mặt khác, điện áp lưới lớn khiến cho ta chỉ cần chọn các Tranrito khuếch đại công suất có dòng nhỏ. 2. Khối tạo điện áp chủ đạo Khối tạo điện áp chủ đạo chỉ yêu cầu công suất nhỏ nên ta lấy trực tiếp từ nguồn +15V và -15V. " Đảo chiều điện áp chủ đạo nhờ cặp tiếp điểm T-N ”. +15V - 15V T N R1 R2 Ucđ Hình 3-18: Sơ đồ khối tạo điện áp chủ đạo 3. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt Để tránh dòng điện trong động cơ tăng quá mức cho phép khi khởi động, hãm, đảo chiều hay gặp quá tải. Ta phải sử dụng mạch điện để hạn chế dòng điện phần ứng. Ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm dòng điện. Để hạn chế dòng điện một cách tự động, ta dùng khâu phản hồi âm dòng có ngắt. Khâu ngắt có tác dụng khi có quá dòng phần ứng động cơ tăng quá dòng ngắt khâu ngắt tác dụng để hạn chế dòng điện. Sơ đồ mạch như hình vẽ: Hình 3-19: Sơ đồ khối phản hồi âm dòng điện IC4, IC5 là các bộ khuếch đại thuật toán. Tín hiệu phản hồi dòng được lấy trên điện trở điều chỉnh R thông qua bộ biến dòng và bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Sau đó vào đầu vào IC4, rồi qua IC5 để so sánh với Udk bởi điot D11 Máy biến dòng TI nhằm cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Điện áp ra của TI được chỉnh lưu nhờ cầu chỉnh lưu ba pha (để đảm bảo cho dòng điện trong cuộn thứ cấp của TI là dòng điện xoay chiều). Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy một phần trên biến trở WR rồi được đưa vào lọc và khuyếch đại bởi IC1, IC2. Điện áp âm trên điện trở R4 có tác dụng như một ngưỡng. Điện áp đầu ra IC2 được tính như sau: Ta chọn R5 = R6 Trong đó a là hệ số phân áp. - Nguyên lý làm việc: Khi Iư < Ing, điện áp đầu ra IC2 có dấu dương nên các diốt khoá, mạch phản hồi chưa có tác dụng. Khi Iư > Ing, điện áp ra có giá trị âm, lúc này mạch phản hồi dòng tham gia khống chế góc mở a làm giảm dòng phần ứng. 4. Khâu tổng hợp mạch vòng tốc độ Đối với hệ thống truyền động T – Đ ngoài yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ thì còn yêu cầu việc ổn định tốc độ khi làm việc. Trong bản đồ án này ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao đặc tính cơ bằng điều khiển mạch kín. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi được lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG) xử lý. Hình 3-20: Khâu phản hồi tốc độ Hình 3-21: Sơ đồ tổng hợp mạch khuếch đại trung gian VI. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG GIAN 1. Tạo nguồn nuôi Thiết kế MBA dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn biến áp 3 pha 3 trụ. Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 15(V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diot, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 =15/1,17 = 5,1(v) ta chọn U2 = 9(v) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7815 và 7915, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7 ÷ 35(V) Điện áp đầu ra: Ura = 15(V) với IC 7815 ; Ura = -15(V) với IC 7915 - Dòng điện đầu ra: Ira = 0 ÷ 1(A) Tụ điện C dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Ta chọn Ci = 470 (μF); U =35V 2. Tính chọn các IC khuếch đại thuật toán Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL084 do hãng TexasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán (sơ đồ chân hình). - Điện áp nuôi Vcc = ± 18V; chọn Vcc = ± 15V - Hiệu điện thế giữa cổng đảo và cổng không đảo là là: ±30V - Nhiệt độ làm việc từ 250C đến 850C. - Tổng trở đầu vào: Rin = 10M - Công suất tiêu thụ: P = 680 mw = 0,68 w - Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/ Mỗi chiếc TL084 được bao gói và mã hoá như hình vẽ: - + - + - + - + 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 +UCC - UCC Hình 3-22: Sơ đồ chân IC TL 084 Điện áp ra bão hoà của KĐTT có thể lấy là: ½urBH½= ½½UCC½- ½2V½½ Ta nuôi KĐTT bằng nguồn 15V, để cho điện áp răng cưa được chính xác thì trong suốt thời gian tụ C được nạp điện áp đầu ra phải không đặt tới trị số bão hoà. Mạch tạo xung chùm có tần số fx = 1/2tx = 3 kHz hay chu kỳ của xung chùm T = 1/f = 334 ; Ta có T = 2.R8.C2.ln(1+2.R8/R7) Chọn R6 = R7 =33 kthì T= 2,2.R8.C2 = 334 ;Vậy R8.C2 = 151,8 ; Chọn tụ C2 = 0,1 có điện áp U = 16V; R8 = 1,518 Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp đặt mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 k 3. Tính chọn khâu phản hồi tốc độ Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọn máy phát tốc có các thông số sau: Kiểu Uđm (V) Iđm (A) nđm (v/ph) (W) m (kg) GT - 100 100 0.08 1500 200 4,8 - Hệ số truyền của máy phát tốc: - Tỷ số truyền của bộ truyền : - Hệ số phản hồi tốc độ: Khi tốc động cơ là định mức thì điện áp ra là 15V do đó hệ số phản hồi tốc độ ¡ được tính: - Điện trở mạch ngoài của MFT RWR4 Do điện áp khuếch đại thuật toán = 15V nên ta điều chỉnh biến trở WR4 sao cho . Vậy ; Vậy ta chọn Lúc đó ta điều chỉnh biến trở WR4 = RWR4 . W Vì điều chỉnh chiết áp một phần rất nhỏ nên để chính xác ta có thể chia WR4 thành các điện trở mắc nối tiếp. - Điện áp phản hồi tốc độ đặt vào IC1 là: 4. Tính chọn khâu phản hồi âm dòng điện Do tính chất của biến dòng là dòng điện thứ cấp không phụ thuộc vào phụ tải nà chỉ phụ thuộc vào dòng sơ cấp nên nếu ta chọn trị số của Rd = RBD thì dòng điện thứ cấp của biến dòng chủ yếu đi qua RBD. Do đó, ta có thể lấy điện áp trên RBD tạo tín hiệu phản hồi. URBD ≈ RBD..I2 = RBD .PI.I2 Trong đó: - .I1 là dòng điện sơ cấp của bến dòng - .I2 là dòng điện thứ cấp của bến dòng - PI là hệ só của biến dòng - Điện áp sau khâu chỉnh lưu được đưqa vào IC4: Ud2 = KCL..URBD = KCL.RBD .PI.k2.Iư Trong đó: - KCL = là chỉnh lưu tia 3 pha - k2 = = 0,58 là hệ số biến dòng phần ứng sang thứ cấp MBA - Dòng điện định mức sơ cấp biến dòng là: I1BD = I2 = 10,1A - Chọn nguồn tạo điện áp ngắt dòng: Dòng điện cần hạn chế của động cơ được chọn theo yêu cầu khởi động với tải cụ thể. Vậy ta chọn dòng điện ngắt có đặc tính với động cơ điện một chiều là: - Giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt tại tác động: Chọn giá trị tại thời điểm khi đó trong đó là hệ số phụ thuộc vào biến dòng ta có: 5. Hệ số khuếch đại của chỉnh lưu K Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (K) ta xây dựng đặc tính biểu diễn quan hệ Ud = f(Uđk) sau đó tuyến tính hoá đặc tính này ra đặc tính hệ số góc của đoạn đặc tính đó. Hệ số của đoạn đặc tính cơ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi, mà theo phương trình điều khiển pha đứng ta có: Ud = Udo.cos= Theo phân tích ở mạch điều khiển thì điện áp lớn nhất lấy bằng điện áp tựa cực đại nên điện áp ra lớn nhất là: Uđkmax = Utmax = 9V; Vậy Uđk = 9V, Udo = 240,65V là điện áp cực đại tại góc mở Cho biễn thiên từ ở các biểu thức trên ta vẽ quan hệ Ud và Uđk. Ta có bảng sau: A 100 300 450 600 750 900 Uđk(V) 8,86 7,80 6,36 4,5 2,32 0 Ud(V) 236,99 208,4 170,16 120,32 62,28 0 Vậy hệ số khuếch đại của bộ biến đổi được tính: K = 6. Hệ số khuếch đại động cơ KĐ Ta có: Với 7. Hệ số khuếch đại trung gian KTG Để tính được hệ số khuếch đại trung gian ta phải xác định được hệ số của chúng. Sơ đồ khối của hệ thống với các khâu phản hồi tốc độ, phản hồi âm dòng có ngắt. Để xác định được hệ số khuếch đại của khâu trung gian ta chỉ xét khi động cơ làm việc ổn định (tức là có khâu âm tốc độ tác động) khi đó sơ đồ khối của hệ thống như hình sau. Trong đó : : là hệ số khuyếch đại tốc độ. : là hệ số khuyếch đại dòng điện . : là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi . : là hệ số khuyếch đại động cơ. : là hệ số phản hồi âm tốc độ Phương trình đặc tính cơ điện : Đặt Độ sụt tốc độ ứng với đặc tính cơ thấp nhất : Mặt khác ta có: Suy ra: Ta lại có độ sụt tốc của động cơ Từ suy ra : Với máy Doa thì để nâng cao chất lượng của chi tiết thì tốc độ khi gia công càng ổn định càng tốt, tức là ta cần nâng cao độ cứng đặc tính cơ. Muốn vậy thì cần phải có dải điều chỉnh tốc độ D phải lớn. Tuy nhiên, khi D quá lứn thì làm cho hệ số khuếch đại trung gian lớn làm hệ thống mất ổn định. Ở đay ta chọn dải điều chỉnh D = 20 là phù hợp. Thay các giá trị nđm = 1200(vg/ph), sai lệch tốc độ chọn và biểu thức trên ta tính được K. Hệ số khuếch đại trung gian: PHẦN IV: XÂY DỰNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 1. Nguyên lý làm việc của mạch động lực Đóng cầu dao CD cung cấp điện áp ba pha cho máy biến áp động lực BA. Khi đó hai bộ biến đổi hình tia ba pha song song ngược sẽ được cấp điện áp. Các van từ T1 ¸ T6 lần lượt được đặt các điện áp thuận theo chiều biến thiên của điện áp ba pha. Các van T1, T2, T3 được điều khiển với góc mở a1 900 sao cho: a1 + a2 = 1800. Lúc này điện áp chỉnh lưu của hai nhóm van là: Ud1 = Ud0 cosa1 > 0 Ud2 = Ud0cosa2 < 0 Động cơ sẽ quay theo chiều thuận phù hợp với chiều của Ud1. Còn bộ biến đổi hai làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. 2. Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển Mạch điều khiển của hệ thống truyền động ăn dao máy doa 2620A được thiết kế theo các yêu cầu kỹ thuật là: Ổn định và điều chỉnh tốc độ. Tự động hạn chế phụ tải. Đảo chiều. Hãm dừng chính xác. Xuất phát từ những yêu cầu này ta sẽ phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống theo từng yêu cầu. 2.1. Nguyên lý ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ Giả sử động cơ đang làm việc ở tốc độ đặt nào đó ở chiều quay thuận, lúc này tiếp điểm T đóng, Ucđ mang dấu dương khiến điện áp ra của khâu khuếch đại trung gian IC3 có dấu dương và điện áp điều khiển sẽ có dấu dương. Điện áp này sẽ làm cho nhóm van katốt chung mở với góc mở a1 900, tức là làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Trong qúa trình làm việc nếu có sự thay đổi của tải, giả sử tải tăng khiến tốc độ động cơ giảm Þ (Ucđ - ¡n) sẽ tăng Þ điện áp điều khiển sẽ tăng Þ góc mở a1 giảm Þ Ud1 tăng kéo tốc độ động cơ trở lại điểm làm việc yêu cầu. Nếu tải giảm qúa trình diễn ra ngược lai. Đó chính là nguyên lý ổn định tốc độ. Chất lượng của qúa trình ổn định tốc độ được đánh giá qua chỉ tiêu: S* = 1,8 % Khi muốn thay đổi tốc độ ta điều chỉnh biến trở R30 khi đó điện áp chủ đạo sẽ thay đổi, dẫn đến điện áp điều khiển thay đổi Þ góc mở a thay đổi Þ điện áp chỉnh lưu thay đổi Þ tốc độ động cơ thay đổi theo. Điện áp chủ đạo được điều chỉnh nhờ biến trở R30 là vô cấp do đó tốc độ động cơ cũng được điều chỉnh vô cấp. 2.2. Khả năng hạn chế phụ tải Giả sử trong qúa trình làm việc tải của hệ thống tăng quá mức cho phép khi đó dòng phần ứng động cơ sẽ tăng quá mức cho phép, điều này là không cho phép. Trong hệ thống có tính đến khả năng này. Khi dòng phần ứng tăng quá giá trị ngắt thì khâu ngắt dòng sẽ tham gia tác động làm giảm điện áp điều khiển Þ góc mở a có xu hướng tiến tới 900 làm cho điện áp chỉnh lưu giảm và dòng phần ứng sẽ không tăng quá lớn. Mặt khác, khi điện áp chỉnh lưu giảm Þ tốc độ động cơ sẽ giảm (đủ nhỏ) lúc này khối cải thiện cất lượng động sẽ tác động tiếp tục hạn chế góc mở và dòng điện phần ứng sẽ được hạn chế nhỏ hơn mức cho phép, giá trị này là 18A. 2.3. Quá trình đảo chiều động cơ Để đảo chiều quay động cơ thì ta thay đổi trạng thái đóng mở tiếp điểm T, N tức là đảo chiều điện áp chủ đạo. Giả sử T đang đóng và động cơ đang quay theo chiều thuận nếu ta đồng thời mở T và đóng N thì điện áp chủ đạo đảo từ dương sang âm Þ điện áp đầu ra của khâu khuyếch đại trung gian sẽ đảo dấu từ âm sang dương. Tuy nhiên lúc này động cơ vẫn quay thuận nên khối cải thiện chất lượng động sẽ tham gia tác dụng làm cho động cơ được hãm tái sinh. Khi tốc độ động cơ giảm dần thì diốt D7 khoá lại khiến điện áp điều khiển của nhóm van anốt chung có giá trị dương Þ động cơ chuyển từ hãm tái sinh sang hãm ngược. Khi n = 0 động cơ sẽ được tự động khởi động theo chiều ngược lại. 2.4. Hãm dừng Muốn hãm dừng ta chỉ việc ngắt Ucđ bằng cách mở các tiếp điểm T hoặc N đang ở trạng thái đóng. Lúc này qúa trình hãm diễn ra tương tự qúa trình đảo chiều. PHẦN V: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. ĐẶT VẤN ĐỀ Để xây dựng và thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động cần có một mô hình mô tả chính xác đến tối đa đối tượng điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ ràng các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Nhằm tạo điều kiện cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển hệ thống. II. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG Đầu tiên ta đi mô tả toán học các phần tử trong hệ thống sau đó mới tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Giả sử ta xét cho hệ điều tốc với mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Các bước để mô tả: Bước 1: Dựa vào quy luật vật lý của các phần tử để viết ra phương trình vi phân mô tả trạng thái động. Bước 2: Xây dựng cấu trúc,trạng thái động của từng phần tử và cùa hệ điều tốc. Bước 3: Tìm hàm truyền của hệxét đến điều kiện ổn định. 1. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 5-1: Sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu điều khiển Hệ số chính lưu : Do tính chất dẫn xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc a. Độ dài thời gian trễ này có đặc tính ngâu nhiên. Do có khoảng thời gian trễ t nên: KCL . e-P.t.Uđk = Ud Trong đó: là thời gian trễ. - Tia 1 pha: =10 (ms) - Tia 2 pha, cầu 1 pha: = 5 (ms) - Tia 3 pha: = 3,33 (ms) - Tia 6 pha, cầu 3 pha: = 1,67 (ms) Hàm truyền của khâu chỉnh lưu: Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biến đổi gần đúng từ khai triển Mc.Lauin. Và khi này có thế thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính. Nên : Sơ đồ cấu trúc của khâu chỉnh lưu như sau: Hình 5-2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. 2. Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta có sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 5-3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều Xét ở chế độ quá độ, động cơ điện một chiều ta sẽ có các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: Biến đổi Laplace ta được: Với: Phương trình chuyển động của hệ: hay Trong đó: Đặt (Từ Ta có: ) Tốc độ góc: (rad/s) Trong các phép tính trên sử dụng các đại lượng Kd(n), g(n) là các hệ số tính theo tốc độ Chuyển sang toán tử Laplace ta có: Mặt khác ta có : Từ các phương trình mô tả toán học trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều như sau: Hình 5-4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều. 3. Bộ khuyếch đại tỷ lệ và máy phát tốc. Bộ khuyếch đại tỷ lệ: Wp(p)= Máy phát tốc: W(p)= 4. Xây dựng sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống kín với phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện. Nhận xét: Ta nhận thấy đối với hệ thống hở thì sai lệch tĩnh của hệ thống lớn hơn nên không đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Để đảm bảo điều chỉnh tốc độ tốt thì St phải nhỏ, mà điều này với hệ thống hở không thể làm được. Để đảm bảo được yêu cầu đặt ra thì ta buộc phải đưa dùng hệ thống kín có phản hồi. Vì vậy, trong nội dung đồ án này chúng ta thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt nhằm thoả mãn hai yêu cầu: Chất lượng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện. 4.1. Khảo sát chế độ động của hệ thống Hình 5-5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trong đó: Ucđ là tín hiệu đặt điện áp tốc độ(điện áp chủ đạo). Để tiện trong việc tổng hợp ta đặt lại các giá trị trong sơ đồ như sau: - Hàm truyền của mạch khuếch đại trung gian: w1 = wy = Ky/Tf.p + 1 Trong đó: Ky, Tf là hệ số khuếch đại của mạch và hằng số thời gian của các bộ phân lọc. - Hàm truyền của bộ biến đổi: Trong đó: + là hệ số khuếch đại của chỉnh lưu. + Tv0 là hằng số thời gian ; trong đó m và w là các pha chỉnh lưu và tần số góc của nguồn điện. - Hàm truyền của các khâu quán tính điện từ: - Hàm truyền của các khâu quán tính cơ: - Hàm truyền của các khâu nhiễu sức điện động của động cơ: Ta có: Trong đó: + Rư, Lư là điện trở, điện cảm mạch phần ứng động cơ. + Tư là hằng số thời gian của mạch phần ứng: Tư = Lư/Rư. + TM là hằng số thời gian cơ học: TM = J.Rư/(kf)2 + Kd là hệ số khuếch đại của động cơ. - Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng có ngắt: w6 = wI = KI/Tip + 1 Trong đó: + Ti là hằng số thời gian của mạch lọc trong xen xơ dòng điện. + KI = 0,102 - Hàm truyền của khâu phản hồi âm tốc độ: w7 = ww = Kw /Tw p + 1. 4.2. Xây dựng hàm truyền của hệ thống Để xây dựng hàm truyền của hệ thống ta biến đổi tương đương sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền hệ thống: Û Û Û Û Thay các giá trị như: KI=0,102s; Ru=1,25; K=4773,61; Tvo; ; TM = 0,08s; Tu = 0,08s Wht = II. XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG 1. Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ Hàm truyền của khâu phản hồi âm tốc độ có dạng là một khâu khuếch đại tính theo tốc độ góc: 2. Hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng điện có dạng là một khâu quán tính bậc nhất: Trong đó: - - TI là hằng số thời gian của bộ lọc R.C = TI Ta chọn R = 100; C = 470 Vậy hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện là: 3. Hàm truyền BBĐ của hệ thống Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng cũng là một khâu quán tính: Trong đó: - KBĐ = 20,15 - TBĐ là hằng số thời gian của bộ biến đổi bao gồm mạch chỉnh lưu và mạch điều khiển. Thường lấy hằng số thời gian của mạch điều khiển là Tđk= 0,01(s) TBĐ = Tcl + Tđk = (s) Vậy hàm truyền của bộ biến đổi là: WBĐ = 4. Hàm truyền động cơ một chiều Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau: -E U I -Mc w Trong đó hệ số J là mômen quán tính của hệ thống được quy đổi về trục của động cơ Tham số của động cơ: P = 3Kw, Uđm = 220V, Iđm = 17,5A, n = 1200 vòng/phút, Rư = 1,25(W) - Hệ số khuếch đại của động cơ: - Hằng số thời gian điện từ của động cơ: - Hằng số thời gian điện cơ: - Hệ số khuếch đại bộ khuếch đại của bộ biến đổi: - Hằng số thời gian của bộ biến đổi: - Hệ số phản hồi âm dòng có ngắt: - Tốc độ định mức là: wđm = 125,66 (Rad/s). Ta có (kFđm) = 1,57(Wb) - Lư điện cảm phần ứng động cơ: Lư = 0,1H = 100mH - Hằng số g chọn bằng g = 0,01 - Hằng số thời gian của phần ứng: Tư = Lư/ Rư = 0,1/1,25 = 0,08 (s) - Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001(s) Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện Ki: 1,57 1,57 w Mc U E _ PHẦN VI: XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác nhau mà hệ thống có thể mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính mà hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó, hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian. Để khảo sát hệ thống, ta thành lập sơ đồ cấu trúc của hệ thống và sau đó xây dựng hàm truyền của hệ thống và sử dụng các tiêu chuẩn xét ổn định để xem hệ thống đó có ổn định hay không. Còn nếu như hệ thống chưa ổn định thì phải hiệu chỉnh để nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. Có nhiều tiêu chuẩn để xét tính ổn định của hệ thống, nhưng trong nội dung đồ án này chúng ta xét tính ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz. 1. Tiêu chuẩn ổn định đại số 1.1. Điều kiện cần để hệ thống ổn định: Xét một hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng quát sau: N(P)=anpn+....+a1p+a0 = 0 Vậy điều kiện cần để một hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của phương trình đặc tính dương. 1.2. Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là các hệ số an và các định thức Hurwitz đều dương. Cách thành lập định thức Hurwitz: Định thức có: - n cột và n hàng. - Đường chéo chính của bắt đầu từ a1 liên tiếp đến an. - Các số hạng trong cùng một cột có chỉ số tăng dần từ dưới lên trên. - Các số hạng có chỉ số lớn hơn n hay nhỏ hơn 0 ghi 0 2. Xét tính ổn định của hệ thống Xét tính ổn định của hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đặt được các yêu cầu mong muốn. Trong hệ thống truyền động điện phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. Phương trình đặc trưng của hệ thống khi chưa là: 5,6.10-6p3 + 1,999p2 + 39,61p + 48,73 có hệ số a0 = 5,6.10-6 ; a1 = 1,999; a2 = 39,61; a3 = 48,73 - Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz ta có: Theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz thì điều kiện cần và đủ để một hệ thống ổn định là hệ số a0 = 5,6.10-6 >0 và các định thức Hurwitz phải dương. Ta thấy tất cả các điều kiện trên hệ thống đã cho đều thỏa mãn. Kết luận: Hệ thống tuyến tính ổn định. Như vậy với các khâu phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt kết hợp ta được một hệ thống làm việc ổn định, đáp ứng được yêu cầu của tải và đảm bảo cho động cơ truyền động làm việc an toàn, tự động khống chế khi có sự cố xảy ra. PHẦN VII: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ CHẠY TRÊN PHẦN MỀN MATLAB I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀN MATLAB/SIMULINK MATLAB – phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks, là một ngôn ngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật như được viết trong logo của phần mềm này. Nó tích hợp tính toán, hiện thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng tiêu biểu của MATLAB bao gồm: Khả năng tính toán mạnh. Phát triển thuật toán. Chứa Simulink là môi trường mạnh để mô phỏng các hệ thống động học tuyến tính và phi tuyến. Đồ họa khoa học và kỹ thuật. Phát triển ứng dụng với các giao diện đồ họa. Có kiến trúc mở, ủng hộ việc xây dựng thêm các module tính toán kỹ thuật theo chuẩn công nghiệp. Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory”. Đầu tiên nó được viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án LINPACK và EISPACK. Sau đó nó được viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêu trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng kỹ thuật. Ngoài MATLAB cơ bản với các khả năng rất phong phú sẽ được đề cập sau, phần mềm MATLAB còn được trang bị thêm các ToolBox – các gói chương trình (thư viện) cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng, sinh tin học,... Đây là các tập hợp mã nguồn viết bằng chính MATLAB dựa theo các thuật toán mới, hữu hiệu mà người dùng có thể chỉnh sửa hoặc bổ sung thêm các hàm mới. Simulink là phần mềm mô phỏng các hệ thống động học trong môi trường Matlab. Đặc điểm của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Nghĩa là, để mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc thì chúng ta cần chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc cần khảo sát. Với cách lập trình như vậy người nghiên cứu hệ thống sẽ thấy trực quan và dễ hiểu. Trong môi trường Simulink có thể tận dụng được các khả năng tính toán, phân tích dữ liệu, đồ hoạ của Matlab và sử dụng các khả năng của toolbox khác như: toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ và điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu…vv. Việc Simulink kết hợp được với các toolbox đã tạo ra công cụ rất mạnh để khảo sát động học các hệ tuyến tính và phi tuyến trong một môi trường thống nhất. II. THƯ VIỆN KHỐI CHUẨN CỦA SIMULINK Môi trường lập trình Simulink được tạo nên từ các khối chuẩn trong các thư viên của Simulink. Các thư viện Simulink bao gồm các khối sau: Hình 7-1: Thư viện khối chuẩn của Simulink Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiệu cụ thể tác dụng và cách làm việc của các khối hay dùng trong các thư viện. 1. Thư viện các khối Sources (Khối phát tín hiệu): Thư viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau. Trong thư viện Sources có các khối như trong bảng dưới đây: Tên khối Chức năng Band-LimitedWhite Noise Đưa nhiễu trắng vào hệ Chirp-Signal Tạo sóng sin tần số bất kỳ Clock Cấp thời gian thực Constant Tạo đại lượng không đổi, tín hiệu đầu vào không đổi Digital Clock Cấp thời gian, với thời gian lấy mẫu Discrete Pulse Generator Khối phát tín hiệu dao động rời rạc From Workspace Đọc dữ liệu trong vùng nhớ đệm From file Đọc dữ liệu từ một file Pule Generator Tạo các xung với các chu kỳ khác nhau Ramp Phát tín hiệu đường y = ax + b Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố chuẩn Repeating Sequence Tạo tín hiệu tuỳ ý lặp lại theo chu kỳ Signal Generator Tạo các dạng tín hiệu khác nhau Sine Wave Tạo tín hiệu hình sin Step Tạo tín hiệu dạng hàm bậc thang đơn vị (hàm bước nhảy) Uniform Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều - Constant: Khối tạo nên hắng số. Hằng số đó có thể là véctơ hay ma trận, hay tín hiệu đơn tùy ta khai báo ở constant. Muốn vậy nháy đúp vào khối ta sẽ mở ra cửa sổ Block Parameters và có thể nhập các tham số sau đó ấn OK. Ở ô interpret véctơ parameters nếu chọn ta có thể khai báo tham số là véctơ hàng hay véctơ cột, nếu không chọn véctơ hàng hay cột mà ta khai báo chỉ có thể dùng như véctơ với chiều dài n. - Step và Ram: Dùng để tạo tín hiệu bậc thang hay tín hiệu dốc tuyến tính. Chúng ta có thể khai báo giá trị đầu/giá trị cuối và cả thời điểm bắt đầu của bước nhảy. Trong hộp parameter ta nhập Step time: nhập thời gian bắt đầu của bước nhảy. Initial value: Nhập giá trị ban đầu trước khi có bước nhảy. Final value: giá trị cuối của bước nhảy. Sample time: 0 khi mô phỏng cho hệ liên tục; 1 khi mô phỏng cho hệ gián đoạn. - Signal Generator và Pulse Generator: Signal Generator tạo các tín hiệu kích thích khác nhau ví dụ như sin, răng cưa. Còn Pulse Generator tạo xung chữ nhật với biên độ và tần số độ rộng xung có thể thay đổi. - Sine Wave: Tạo tín hiệu hình sin cho cả hai loại liên tục (sample time = 0) và cho gián đoạn với (sample time = 1). Cơ sở quan hệ y=Amplitude.sin(Fequency.time+phase) - Repeating Sequency: Tạo tín hiệu tuần hoàn tuỳ ý. 2. Thư viện các khối Sinks Ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khối trong hệ thống được khảo sát. Trong thư viện Sinks có các khối sau: Tên khối Chức năng Display Hiển thị tín hiệu dưới dạng chữ số Scope Khối quan sát Stop simulation Ngừng quá trình mô phỏng khi lượng vào khác không To File Ghi dữ liệu vào File To Workspace Ghi dữ liệu vào vùng làm việc XY graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cử sổ đồ thị MATLAB Thư viện Sink (bao gồm các khối truy suất chuẩn của Simulink) - Scope: Nhờ scope ta có thể hiển thị các tín hiệu của quá trình mô phỏng. Khi có đồ thị hiện ra chúng ta có thể zoom để xem tín hiệu theo ý muốn, ngoài ra khi vào hộp thoại scope chúng ta thấy: + Number of axes: Tại đây ta nhập số trục toạ độ tương ứng với sô tín hiệu đầu vào. + Time range: Nếu điền một thời gian cụ thể đồ thị sẽ biểu diễn cho tới thời điểm giá trị của số xác định, nếu không đặt là auto. + Tick lables: Nhãn cho trục sẽ hiện các giá trị tại các trục hay không. - XYGaph: Biểu diễn hai tín hiệu vào scalar trên toạ độ XY dưới dạng đồ thị của matlab ta có thể đặt giới hạn cho trục. Đầu vào thứ nhất tương ứng với trục x, đầu vào thứ hai tương ứng với trục y. 3. Thư viện các khối Continuous. Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn. Thư viện Linear gồm các khối sau: Tên khối Chức năng Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào (d/dt) Integrator Tích phân tín hiệu Memory Bộ nhớ ghi lại dữ liệu State-Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến tính Transfer Fcn Hàm truyền đạt tuyến tính của các khâu hoặc hệ thống Transport Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước Variable Transport Delay Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi Zero-pole Hàm truyền theo Pole (điểm cực) và Zero (điểm không) - Derivative: Phép tính đạo hàm tín hiệu đầu vào được thực hiện nhờ khối derivative. Tín hiệu ở đầu ra có dạng Du/Dt. Trong đó D là biến thiên của đại lượng cần tính kể từ bước tính liền trước đó. - Integrator: Khối Integrator lấy tích phân tín hiệu đầu vào của khối. Giá trị ban đầu khai báo tại hộp thoại của khối tại ô Initial condition. Nếu Initial condition được chọn là exterrnal thì trên biểu tượng của khối xuất hiện một đầu vào thứ hai giành cho giá trị ban đầu lấy nguồn ngoài của khối. Đầu ra của khối Integrator tại ô external reset có thể chọn một trong các giá trị rising, falling, erithr hay leve, khối này sẽ tự động giành thêm một đầu giành cho giá trị reset. - State-Space: Là mô hình trạng thái của hệ tuyến tính.. (xem control systerm toolbox). - Transfer Fcn: Là mô hình hoá hàm truyền đại tương đương với lệnh tf (num, den) của control systerm toolbox. 4. Thư viện các khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z) Thư viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thời gian rời rạc. Cụ thể bao gồm các khối như trong bảng sau: Tên khối Chức năng DiscreteTransferEcn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc Discrete Zero-pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thông qua Pole và Zero Discrete-Filter Biểu diễn các bộ lọc HR và FIR DiscreteState-Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái rời rạc Discrete-Time Integrator Biểu diễn tích phân tín hiệu rời rạc theo thời gian Fist Order Hold Khâu tạo dạng bậc nhất Unit Display Hiển thị tín hiệu trong một chu kỳ rời rạc Zero order Hold Khâu tạo dạng bậc thang không 5. Thư viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến). Thư viện Nonlinear có các khối biểu diễn các hàm phi tuyến điển hình các khối trong hệ thống phi tuyến. Cụ thể bao gồm các khối sau: Dead Zone Mô tả vùng không nhạy (vùng chết). Quantizer Lượng tử hoá tín hiệu vào trong các khoảng xác định. Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi của tín hiệu Relay Khâu rơle. Saturation Khâu bão hoà tín hiệu (khâu hạn chế). Switch Chuyển mạch giữa hai lượng vào. 6. Thư viên khối Signal & System: Thư viện Signal & System có các khối biểu diễn tín hiệu và hệ thống. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Sub & Systems Xây dựng hệ thống con bên trong hệ thống lớn In1 Tạo cổng vào cho một hệ thống Demux (phân kênh) Tách tín hiệu véctơ thành các tín hiệu vô hướng Mux (Dồn kênh) Gộp các tín hiệu thành một véctơ Out1 Tạo cổng ra cho một hệ thống 7. Thư viện chứa các khối toán học Math: Thư viện Math có các khối biểu diễn hàm toán học. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Abs Biểu diễn giá trị tuyệt đối của lượng vào Combuanatoril logic Biểu diễn bảng chân lý Dot product Nhân giữ hai véctở Product Thực hiện nhân các lượng vào Gain Bộ (khâu) khuếch đại Matrix gain BKĐ có hệ số khuếch đại là một Ma trận Math function Các hàm toán học MinMax Tìm giá trị min, max Relational Toán tử quan hệ Sum Tính tổng của các lượng vào Trigonometric Function Hàm lượng giác Các khối trong thư viện này có chức năng ghép toán học các tín hiệu khác nhau. Sau đây sẽ mô tả một số khối hay dùng: - Sum: Đầu ra của khối Sum là tổng các tín hiệu vào. Với khối Sum ta có thể cộng hoặc trừ nhiều tín hiệu bằng cách khai báo vào Lits of signs. - Khối Product và Dot Product: Khối dot product cho ta tích vô hướng của các véc tơ đầu vào. Khối product thực hiện phép nhân từng phần tử hay từng ma trận, cũng như phép chia tín hiệu đầu vào Tại Number of inputs: ta nhập số đầu vào. Tại Multiplication: Chọn element-wise khi cần nhân hoặc chia của từng phần tử hoặc tín hiệu, chọn Matrix nếu muốn nhân hoặc chia tín hiệu dạng ma trận. - Khối Gain, Matrix Gain, Slider Gain: Khối Gain có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu vào bằng biểu thức khai báo ở ô Gain khi ta nháy đúp vào khối này. Khối Slider Gain cho phép người sử dụng thay đổi giá trị khuếch đại trong quá trình mô phỏng. Khi nháy đúp chuột trái vào khối, cửa sổ khối ta nhập vào giá trị bé nhất và lớn nhất, ta có thể thay đổi giá trị khuếch đại trong khoảng này bằng thanh trượt. Matrix Gain cũng giống như Gain nhưng khác ở chỗ chúng ta phẩi khai báo tham số thích hợp để thực hiện phép nhân giữa ma trận Gain với đầu vào. 8. Thư viện chứa các khối Function & Tables: Tên khối Chức năng Fcn Ứng dụng biểu thức toán nhất định cho lượng vào Matlab Fcn Ứng dụng hàm Matlab cho lượng vào Look-Up Table 2-D Biểu diễn tuyến tính từng đoạn của hai lượng vào S-Function Đưa một S-Function vào trong một khối 9. Thư viện các khối mở rộng của Simulink: - Additional Discrete: Khối mở rộng khối tín hiệu rời rạc. - Additional linear: Khối mở rộng khối tín hiệu tuyến tính. - Additional Sinks: Khối mở rộng khối quan sát. - Filp Flops: Khối mở rộng chứa khối Trigơ. - Linearization: Khối mở rộng tuyến tính hoá. - Transformations: Khối mở rộng các khối biến đổi toán học. III. ỨNG DỤNG MATLAP KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 1. Mô phỏng bộ biến đổi của hệ thống - Sơ đồ cấu trúc: - Mô phỏng: Hình 7-2: Đồ thị mô phỏng bộ biến đổi của hệ thống 2. Mô phỏng hoạt động của động cơ điện một chiều - Sơ đồ cấu trúc: - Mô phỏng: Hình 7-3: Đồ thị mô phỏng quá trình khởi động của động cơ điện một chiều 3. Mô phỏng hoạt động của mạch vòng dòng điện - Sơ đồ cấu trúc: - Mô phỏng: Khi khâu ngắt chưa tác động Khi khâu ngắt tác động Hình 7-4: Đồ thị mô phỏng tác động của mạch vòng dòng điện 4. Mô phỏng khâu phản hồi tốc độ của hệ truyền động - Sơ đồ cấu trúc: - Mô phỏng: Hình 7-5: Đồ thị mô phỏng khâu phản hồi tốc độ của hệ truyền động 5. Mô phỏng hệ thống khi có hai khâu phản hồi tác động - Sơ đồ cấu trúc: - Mô phỏng: a) Kết quả khi chạy thuận: b) Kết quả khi chạy ngược: Hình 7-6: Đồ thị mô phỏng khâu phản hồi tác động khi chạy thuận (a); khi chạy ngược (b) Đồ án tốt nghiệp là một nhiệm vụ hết sức quan trọng đối với mỗi sinh viên để có thể hoàn thành khóa học của mình. Sau hơn ba tháng nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ, chỉ bảo của Th.S Vũ Anh Tuấn em đã hoàn thiện bản đồ án của mình. Trong quá trình làm đồ án em đã nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong thư viện nhà trường, trên mạng internet cũng như tài liệu, giáo trình của thầy giáo Th.s Vũ Anh Tuấn tìm giúp. Và với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện – Trường Đại học SPKT Vinh cùng với sự nổ lực của bản thân em đã thu được một số thành quả nhất định: + Biết được cách trình bày kết cấu cơ bản của một bản đồ án. + Biết tìm tòi, chắt lọc những tài liệu phù hợp cho nội dung của đồ án. + Qua đồ án này em đã hiểu được quy trình công nghệ thiết kế hệ thống truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng sơ đồ chỉnh lưu – động cơ một chiều. Đồng thời thông qua nhiệm vụ này giúp em có cái nhìn tổng quát hơn về việc điều khiển các máy gia công, cắt gọt kim loại và sâu hơn là điều khiển các hệ thống trong công nghiệp sử dụng sơ đồ chỉnh lưu - động cơ một chiều. TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1] Ths. Vũ Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học SPKT Vinh, Đề cương bài giảng Trang bị điện. [2] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Bính, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội 2000. [5] Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Trần Văn Thịnh, Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, năm 2000. [7] Bộ môn TĐ-TL, Khoa Điện, Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ, [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [9] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [10] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [11] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê, Cung cấp điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [12] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006. [13]