Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 24: Thiết bị truyền động tín hiệu liên tục
24. THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG TÍN HiỆU LIÊN TỤC
Chủ đề:
Các động cơ tự động; Nguồn xoay chiều và một chiều
Các động cơ bước
Điều khiển chuyển động đơn trục
Các bộ truyền động thủy lực
Mục tiêu:
Hiểu các khác biệt chính giữa các bộ truyền động liên tục
Có khả năng lựa chọn một bộ truyền động liên tục nào đó
Có thể bố trí một hoạt động cho một bộ truyền động tự động đơn lẻ
24.1 GIỚI THIỆU
Các bộ truyền động liên tục cho phép một hệ định vị hay điều chỉnh các đầu ra
trong một phạm vi rộng của các giá trị. Thậm chí trong dạng đơn giản nhất của
chúng, các bộ truyền động tín hiệu liên tục có xu hướng trở thành các thiết bị phức
tạp một cách máy móc. Ví dụ, một hệ trượt tuyến tính có thể được bao gồm một
động cơ với một bộ điều khiển điện đang điều khiển một bộ phận trượt cơ học với
một bóng cuộn. Giá của các bộ truyền động có thể dễ dàng tự nó cao hơn cho hệ
điều khiển này. Các bộ truyền động này cũng yêu cầu các kỹ thuật điều khiển phức
tạp mà các kỹ thuật này sẽ được thảo luận trong các chương sau. Nói chung, khi có
một lựa chọn, tốt hơn là dùng các bộ truyền động rời rạc để giảm giá và độ phức tạp.
24.2 CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Một động cơ điện được bao gồm một tâm quay, được gọi là rô to, và một phần
ngoài tĩnh, được gọi là stato. Các động cơ này dùng lực hút và lực đẩy của các từ
trường để tạo ra các lực, và vì thế chuyển động sinh ra. Các động cơ điện điển hình
dùng tối thiểu một cuộn dây điện từ, và đôi khi là các nam châm vĩnh cửu để thiết
đặt các trường đối lập. Khi một điện thế được cấp tới các cuộn dây này kết quả là
một mô men xoắn và làm quay một trục đầu ra. Có nhiều cấu hình động cơ khác
nhau sinh ra phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Đáng chú ý nhất là, khi các điện
thế được cấp các động cơ này sẽ thay đổi các tốc độ và các mô men xoắn mà chúng
sẽ cung cấp.
Các loại động cơ:
- Các động cơ điện xoay chiều – quay với các tốc độ không đổi một cách
tương đối tỷ lệ với tần số của nguồn
+ các động cơ cảm ứng – lồng sóc, rô to quấn dây – không đắt, hiệu
quả
+ đồng bộ - tốc độ cố định, hiệu quả.
- Các động cơ điện một chiều – có khoảng tốc độ và mô men xoắn lớn
+ nam châm vĩnh cửu – tốc độ biến đổi
+ cuộn dây rô to và stato – mắc nối tiếp, mắc rẽ và kết hợp (phổ
biến)
- Lai
+ Nam châm vĩnh cửu không chổi than –
+ Các động cơ bước
Các công tắc được dùng để chuyển mạch nguồn điện cho động cơ bật/tắt.
Các truyền động có thể được dùng để thay đổi tốc độ động cơ bằng điện. Điều
này cũng có thể được làm xong với các máy cơ học hay thủy lực.
Các loại bộ truyền động phổ thông:
- Các bộ truyền động tần số biến đổi (VFD) – thay đổi tần số của nguồn
được cấp cho động cơ này để thay đổi tốc độ
- Các bộ điều khiển động cơ một chiều – điện thế hay dòng biến thiên để
thay đổi tốc độ của động cơ
- Ly hợp dòng điện xoáy – hiệu suất thấp, dùng một trống sắt chuyển động
và các cuộn dây
- Các bộ điều khiển động cơ xoay chiều rô to quấn dây – hiệu suất thấp,
dùng các biến trở để chỉnh các dòng trong cuộn dây.
Một hệ điều khiển được yêu cầu khi một động cơ được dùng cho một ứng dụng
nào đó mà ứng dụng này yêu cầu các vị trí hay vận tốc liên tục. Một bộ điều khiển
điển hình được chỉ ra trong hình 24.1. Trong bất cứ hệ được điều khiển nào một bộ
sinh lệnh được yêu cầu để xác định vị trí mong muốn. Bộ điều khiển này sẽ so sánh
phản hồi từ bộ mã hóa tới vị trí hay vận tốc mong muốn để xác định lỗi hệ thống. Bộ
điều khiển này sau đó sẽ sinh ra một đầu ra, dựa trên lỗi hệ thống. Đầu ra này sau đó
được truyền qua một bộ khuyếch đại năng lượng, mà bộ khuyếch đại này lần lượt
truyền động động cơ này. Bộ mã hóa được kết nối trực tiếp tới trục quay động cơ
này để cung cấp phản hồi về vị trí.
Figure 24.1 A Typical Feedback Motor Controller
Một bộ điều khiển động cơ phản hồi điển hình
24.2.1 Những động cơ nguồn một chiều chổi góp cơ bản
Trong một động cơ nguồn một chiều thường có một tập các cuộn dây trên rô to
này mà rô to này quay bên trong một stato trong các nam châm vĩnh cửu. Hình 24.2
chỉ ra một mô hình đơn giản hóa của một động cơ. Các nam châm này cung cấp một
từ trường vĩnh cửu cho rô to này để đẩy ngược lại. Khi dòng đi qua vòng dây này nó
tạo ra một từ trường.
Figure 24.2 A Simplified Rotor – Một rô to đơn giản hóa
Điện được gửi tới rô to này bằng cách dùng một bộ chuyển mạch và các chổi
góp, như được chỉ ra trong hình 24.3. Trong hình này điện được cấp cho rô to qua
các chổi than cọ xát vào bộ chuyển mạch. Bộ chuyển mạch này được phân ra để mỗi
nửa chu kỳ sự phân cực của điện thế diễn ra trên rô to này, và từ trường cảm ứng
đảo ngược để đẩy ngược lại các nam châm vĩnh cửu.
Figure 24.3 A Split Ring Commutator - Một bộ chuyển mạch vòng chia
Hướng chuyển động của vòng quay sẽ được xác định bằng sự phân cực của điện
thế cung cấp, và tốc độ là tỷ lệ với điện thế. Một bộ điều khiển phản hồi được dùng
với các động cơ này để cung cấp điều khiển vị trí và tốc độ động cơ.
Các động cơ này đang mất tính phổ biến với các động cơ không dùng chổi quét.
Các chổi quét này là chủ đề của mài mòn, nó gia tăng giá của bảo trì. Thêm nữa, việc
dùng các chổi quét làm tăng trở, và làm giảm hiệu suất các động cơ.
THÊM: Bộ điều khiển để truyền động một động cơ tự động thường dùng một tín
hiệu điều chỉnh độ rộng xung (PWM). Như được chỉ ra bên dưới tín hiệu này sinh ra
một điện thế hiệu quả mà điện thế này liên quan đến thời gian mà tín hiệu là bật. Tỷ
lệ thời gian mà tín hiệu này là bật được gọi là chu kỳ nhiệm vụ. Khi điện thế này là
bật tất cả thời gian mà điện thế hiệu quả này đã cung cấp là điện thế cực đại. Vì thế,
nếu điện thế này chỉ là bật một nửa thời gian, điện thế hiệu quả là một nửa điện thế
cực đại. Phương pháp này là phổ biến vì nó có thể sinh ra một điện thế hiệu quả biến
thiên một cách hiệu quả. Tần số của các sóng này thường là trên 20KHz, trên phạm vi
nghe của tai người.
Pulse Width Modulation (PWM) For Control
Điều biến độ rộng xung (PWM) cho điều khiển
THÊM: Một tín hiệu PWM có thể được dùng để điều khiển một động cơ với
mạch được chỉ ra ở dưới. Tín hiệu PWM này chuyển mạch bán dẫn NPN, vì thế
chuyển nguồn tới động cơ này. Trong trường hợp này phân cực điện thế trên động
cơ này sẽ luôn là cùng hướng, vì thế động cơ này có thể chỉ quay theo một hướng.
PWM Unidirectional Motor Control Circuit
Mạch điều khiển động cơ theo một hướng duy nhất PWM
THÊM: Khi một động cơ được điều khiển với PWM
trong hai hướng mạch H-bridge dưới (được chỉ ra ở
dưới) là một lựa chọn phổ biến. Chúng có thể được
xây dựng với các thành phần cá biệt, hay được mua
như là các mạch tích hợp cho các động cơ nhỏ hơn.
Để quay động cơ này theo một hướng tín hiệu PWM
được cấp tới các đầu vào Va, trong khi các đầu vào
Vb được giữ thấp. Trong sự sắp đặt này điện thế
dương là ở bên trái của động cơ này. Để quay ngược
hướng này tín hiệu PWM được cấp cho các đầu vào
Vb, trong khi các đầu vào Va được giữ thấp. Điều này
cung cấp điện thế dương cho bên phải của động cơ
này.
Figure 24.6 PWM Bidirectional Motor Control Circuit
Mạch điều khiển động cơ hai chiều PWM
24.2.2 Các động cơ điện xoay chiều
Điện thường được sinh ra như các dòng xoay chiều 3 pha, vì thế việc dùng
này gia tăng hiệu quả của các bộ truyền động điện.
Trong các động cơ điện xoay chiều dòng xoay chiều được dùng để tạo ra các
trường biến đổi trong động cơ này.
Các động cơ điện xoay chiều điển hình có các cuộn dây trên stato với nhiều
cực. Mỗi cực là một cặp các dây. Khi dòng xoay chiều này đảo ngược, từ
trường trong rô to này xuất hiện để quay.
Figure 24.7 A 2 Pole Single Phase AC Motor
Một động cơ xoay chiều một pha hai cực
Figure 24.8 A 6 Pole 3-Phase AC Motor
Một động cơ 3 pha 6 cực
Số lượng của các cuộn dây (các cực) có thể là một số nguyên bội số của số pha
của nguồn điện. Nhiều pha hơn gây ra tốc độ quay chậm hơn của động cơ này.
Các loại rô to cho các động cơ cảm ứng được liệt kê ở dưới. Chức năng của
chúng là cắt ngang từ trường biến đổi từ stato này. Trường biến đổi này gây ra
các dòng trong rô to. Các dòng này lần lượt đặt các từ trường đối lại với stato,
sinh ra một mô men xoắn.
- Lồng sóc – có hình dạng như một bánh xe với các đầu nắp và vạch
- Rô to vòng dây – rô to này có các cuộn dây được cuộn. Chúng có thể
được kết nối tới các công tắc bên ngoài qua một chuyển mạch.
Các động cơ cảm ứng yêu cầu trượt. Nếu động cơ này quay tại tốc độ chính
xác của trường stato, nó sẽ không thấy một sự thay đổi nào của từ trường. Kết
quả sẽ là một sụp đổ của từ trường rô to này. Hậu quả là một động cơ cảm
ứng luôn quay hơi chậm hơn trường stato. Sự khác biệt này được gọi là trượt.
Trượt này điển hình là vài phần trăm. Khi động cơ được tải độ trượt sẽ gia
tăng cho tới khi động cơ này dừng hoạt động.
Một động cơ cảm ứng có các cuộn dây trên stato. Rô to này thường là một thiết
kế lồng sóc. Lồng sóc này là một lõi nhôm đúc mà lõi này khi được phơi ra tới một từ
trường biến đổi nó sẽ thiết đặt một trường ngược lại. Khi một điện thế xoay chiều
được cấp tới các cuộn dây stato một từ trường xoay chiều được tạo ra, lồng sóc này
thiết đặt một từ trường ngược và gây ra mô men xoắn làm cho động cơ này quay.
Động cơ này sẽ quay tại một tần số gần tới tần số của điện thế được cấp, nhưng
luôn có một vài trượt. Cũng có thể được cho điều khiển tốc độ của động cơ này bằng
cách điều khiển tần số của điện thế xoay chiều này. Các truyền động động cơ đồng
bộ điều khiển tốc độ của các động cơ bằng cách kết hợp một dạng sóng xoay chiều
tần số biến thiên, như trong hình 24.9.
Figure 24.9 AC Motor Speed Control – Điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều
Các bộ truyền động này phải được dùng cho các ứng dụng mà chúng chỉ yêu cầu
một hướng quay duy nhất. Đường cong tốc độ mô men xoắn cho một động cơ cảm
ứng điển hình được chỉ ra trong hình 24.10. Khi động cơ này được sử dụng với một
nguồn xoay chiều tần số cố định tốc độ đồng bộ của động cơ này sẽ là tần số của
điện thế xoay chiều được chia cho số cực trong động cơ này. Động cơ này thực sự có
mô men xoắn cực đại bên dưới tốc độ đồng bộ. Ví dụ một động cơ 2 cực có thể có
một tốc độ đồng bộ (2*60*60/2) 3600 RPM (vòng trên phút), nhưng được đo là tốc
độ 3520 RPM. Khi một bộ điều khiển phản hồi được dùng vấn đề của trượt trở nên
không đáng kể.
Figure 24.10 Torque Speed Curve for an Induction Motor
Đồ thị vận tốc mô men xoắn cho một động cơ cảm ứng
Figure 24.11 NEMA Squirrel Cage Torque Speed Curves
Các đường cong tốc độ mô men xoắn lồng sóc (khung dự trữ???) NEMA
Các động cơ cảm ứng rô to cuộn dây dùng các điện trở ngoài. Thay đổi điện
trở cho phép đường cong tốc độ mô men xoắn các động cơ thay đổi. Khi giá trị
điện trở được gia tăng đồ thị tốc độ mô men xoắn động cơ dịch chuyển từ các
dạng Class A tới Class D.
Hình dưới đây chỉ ra sự liên quan giữa tốc độ động cơ và điện được cấp, trượt
và số lượng của các cực. Một động cơ lý tưởng với không tải sẽ có một trượt
là 0%.
ꢃ120
ꢄ
ꢅ
ꢀꢁꢂ =
(1 −
)
100%
trong đó: f = tần số điện nguồn (điển hình là 60Hz)
p = số lượng các cực (cuộn dây) (2, 4, 6, v.v...)
RPM = tốc độ động cơ số vòng quay trong một phút
S = độ trượt động cơ
Các động cơ nguồn xoay chiều một pha có thể chạy theo cả hai hướng. Để bù
lại cho điều này một cực mờ được dùng trên các cuộn dây stato. Nó hoạt động
một cách cơ bản như một bộ cảm tới một mặt của trường mà trường này làm
chậm tích trữ thành hàng và cong lại. Kết quả là cường độ trường này dường
như quay một cách tự nhiên.
Bảo vệ nhiệt độ thường được dùng trong các động cơ để chống lại quá nhiệt.
Các động cơ phổ quát đã được xuất hiện sớm hơn các ứng dụng điện một
chiều, nhưng chúng cũng có thể được dùng cho các nguồn điện xoay chiều.
Đây là vì sự phân cực trường trong rô to và stato cả hai đều đảo ngược khi
dòng xoay chiều là đảo ngược.
Các động cơ đồng bộ là khác các động cơ cảm ứng trong cái mà chúng được
thiết kế để quay tại tần số của các trường, nói cách khác không có trượt nào.
Các động cơ đồng bộ dùng các trường được sinh ra trong rô to để đối lại với
trường các stato.
Các động cơ xoay chiều khởi động có thể là khó bởi vì mô men xoắn thấp tại
các tốc độ thấp. Để làm việc với điều đó một sự sắp xếp chuyển mạch thường
được dùng. Tại các tốc độ thấp các cuộn dây khác hay các tụ điện khác được
nối vào trong các mạch này. Tại các tốc độ cao hơn các chuyển mạch ly tâm
ngắt kết nối chúng và động cơ này làm việc như các chuyển mạch.
Các động cơ cảm ứng một pha hay được dùng để tải dưới 1HP. Các loại khác
(dựa trên các chế độ khởi động và chạy của chúng) như sau:
- Chia pha – có hai cuộn dây trên động cơ này. Một cuộn khởi động được
dùng để cấp mô men xoắn tại các tốc độ thấp hơn.
- Tụ điện chạy
- Tụ điện khởi động (bắt đầu)
- Tụ điện bắt đầu và chạy
- Cực mờ - các động cơ này dùng một cuộn dây độ chênh nhỏ (như là một
cuộn dây đồng đơn lẻ) để khuyến khích tích lũy trường để xuất hiện một cách
không đối xứng. Các động cơ này là cho các ứng dụng mô men xoắn thấp nhỏ
hơn nhiều 1HP.
- Các động cơ phổ quát (cũng được dùng với nguồn một chiều) có một rô to
cuộn dây và một stato cuộn dây mà chúng được kết nối theo loạt (nối tiếp).
Figure 24.12 Single Phase Motor Configurations
Các cấu hình động cơ một pha
Động cơ chạy tụ điện và động cơ khởi
động tụ điện
Figure 24.12 Single Phase Motor Configurations
Các cấu hình động cơ một pha
24.2.3 Những động cơ nguồn một chiều không chổi góp
Các động cơ không dùng chổi góp dùng một nam châm vĩnh cửu trên rô to, và
dùng các cuộn dây trên stato. Vì thế không cần thiết dùng các chổi và một chuyển
mạch để chuyển mạch sự phân cực của điện thế trên cuộn dây này. Sự thiếu hụt của
các chổi có nghĩa là các động cơ này yêu cầu bảo trì ít hơn các động cơ điện một
chiều dùng chổi.
Một động cơ nguồn một chiều không dùng chổi góp điển hình có thể có ba cực,
mỗi cực tương ứng với một đầu vào nguồn, như trong hình 24.14. Mỗi cuộn dây
được điều khiển một cách riêng rẽ. Các cuộn dây được chuyển mạch bật để hấp dẫn
hay từ chối rô to nam châm vĩnh cửu này.
Figure 24.14 A Brushless DC Motor – Một động cơ nguồn một chiều không dùng chổi
Để quay một cách liên tục các động cơ này dòng trong các cuộn dây stato phải
thay đổi một cách liên tục. Nếu điện cấp cho các cuộn dây này là một dạng sóng hình
sin xoay chiều 3 pha, động cơ này sẽ quay một cách liên tục. Điện thế được cấp này
cũng có thể là hình thang, nó sẽ cho một hiệu ứng tương tự. Các dạng sóng biến
thiên là bộ điều khiển dùng phản hồi vị trí từ động cơ này để lựa chọn các thời điểm
chuyển mạch. Tốc độ của động cơ này tỷ lệ với tần số của tín hiệu.
Một đồ thị tốc độ mô men xoắn điển hình cho một động cơ không chổi quét
được chỉ ra trong hình 24.15.
Figure 24.15 Torque Speed Curve for a Brushless DC Motor
Đường cong tốc độ mô men xoắn cho một động cơ nguồn một chiều không chổi
quét
24.2.4 Các động cơ bước
Các động cơ bước được thiết kế cho định vị. Chúng chuyển một bước tại một
thời điểm với một bước điển hình của 1,8 độ bằng cách cho 200 bước trên một vòng.
Các động cơ khác được thiết kế cho các bước 1,8; 2,0; 2,5; 5; 15 và 30 độ.
Có hai loại động cơ bước cơ bản, đơn cực và lưỡng cực, như được chỉ ra trong
hình 24.16. Đơn cực dùng các cuộn dây được rẽ và có thể dùng một nguồn điện đơn
lẻ. Loại lưỡng cực là đơn giản hơn nhưng yêu cầu một nguồn điện dương và âm và
nhiều mạch chuyển phức tạp.
Figure 24.16 Unipolar and Bipolar Stepper Motor Windings
Các cuộn dây động cơ bước đơn cực và lưỡng cực
Các động cơ này được quay bằng cách đưa các điện thế khác nhau tại các đầu
cuối động cơ này. Các dạng thay đổi điện thế cho một động cơ đơn cực được chỉ
trong hình 24.17. Ví dụ, khi động cơ này được bật ta có thể đưa các điện thế vào như
trong dòng 1. Để quay động cơ này ta sẽ sau đó đưa ra các điện thế trên dòng 2, sau
đó là 3, sau đó là 4, sau đó là 1, v.v... Đảo ngược thứ tự này làm cho động cơ quay
trong chiều ngược lại. Tính động của động cơ này và tải giới hạn tốc độ cực đại của
chuyển mạch, đây thường là vài ngàn bước trong một giây. Khi không quay các điện
thế đầu ra được duy trì để giữ động cơ này đúng vị trí.
1a
2a
1b
2b
Bước
1
2
3
4
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
Để quay động cơ này các pha được bước qua 1, 2, 3, 4, và sau đó trở lại 1. Để
chuyển chiều quay của động cơ này trình tự các bước có thể được ngược lại, ví dụ 4,
3, 2, 1, ... Nếu một tập các đầu ra được giữ không thay đổi động cơ này sẽ được duy
trì đúng vị trí.
Figure 24.17 Stepper Motor Control Sequence for a Unipolar Motor
Trình tự điều khiển động cơ bước cho một động cơ đơn cực
Các động cơ bước không yêu cầu phản hồi trừ khi được dùng trong các ứng
dụng độ tin cậy cao và khi các điều kiện động có thể dẫn tới trượt. Một động cơ bước
trượt khi duy trì mô men xoắn là không được, hay nó được tăng tốc quá nhanh. Khi
động cơ này trượt nó sẽ di chuyển một số độ (của góc) nào đó từ vị trí hiện tại. Trượt
này không thể được phát hiện mà không có phản hồi vị trí.
Các động cơ bước là tương đối yếu khi so với các loại động cơ khác. Đồ thị tốc
độ mô men xoắn cho các động cơ này được chỉ ra trong hình 24.18. Thêm nữa chúng
có các mô men xoắn được duy trì tĩnh và động khác nhau. Các động cơ này cũng
được thiên về các điều kiện cộng hưởng bởi vì điều khiển chuyển động được bước
hóa.
Figure 24.18 Stepper Motor Torque Speed Curve
Đường cong tốc độ mô men xoắn động cơ bước
Các động cơ này được dùng với các bộ điều khiển mà chúng thực hiện nhiều
chức năng điều khiển cơ bản. Tối thiểu một bộ điều khiển chuyển đổi sẽ chú ý đến
chuyển mạch các điện thế cuộn dây. Một bộ điều khiển chỉ mục phức tạp hơn sẽ
chấp nhận các tham số chuyển động như là khoảng cách, và chuyển chúng sang các
bước riêng biệt. Các loại khác của các bộ điều khiển cũng cung cấp các phân giải
bước tốt hơn với một quá trình được biết như là vi bước hóa (microstepping). Cái
này phân chia một cách hiệu quả các bước logic được mô tả trong hình 24.17 và
chuyển chúng sang các bước hình sin.
các bộ chuyển đổi – người dùng chỉ ra các vận tốc và gia tốc tối đa và một
khoảng cách để chuyển động
các bộ đánh chỉ mục – người dùng chỉ ra hướng và số lượng bước để làm
vi bước hóa – mỗi bước được phân chia thành các bước nhỏ hơn để cho
phân giải cao hơn.
24.2.5 Những động cơ trường quấn dây
Dùng các nguồn một chiều trên rô to và stato để sinh ra từ trường (ví dụ:
không phải các nam châm vĩnh cửu)
Các động cơ mắc rẽ:
- có các cuộn dây rô to và stato được kết nối song song.
- khi việc tải trên các động cơ này được giảm xuống dòng một chiều tăng
một cách từ từ, tăng trường, và làm chậm động cơ này.
- các động cơ này có một sự khác biệt tương đối nhỏ trong tốc độ khi
chúng được làm khác nhau, và được xem xét để có một tốc độ không
đổi một cách tương đối.
- tốc độ của động cơ này có thể được điều khiển bằng cách thay đổi điện
thế nguồn, hay bằng cách đặt một biến trở/điện trở theo loạt (nối tiếp)
với các cuộn dây stato.
ꢈ
ꢇ
ꢆꢇ =
ꢀꢇ
ꢉ = ꢊꢋꢆꢇꢌ
trong đó: Ia, Va, Ra = Ứng dòng, điện thế và điện trở
T = mô men xoắn trên trục động cơ
Kt = Hằng số tốc độ động cơ
Φ = thông lượng trường động cơ
Các động cơ mắc nối tiếp
- có các cuộn dây rô to và stato được kết nối nối tiếp.
- khi tốc độ động cơ này tăng dòng cũng tăng, động cơ này có thể tăng
tốc một cách lý thuyết tới các tốc độ không giới hạn nếu không hạ tải.
Điều này làm ra nguy hiểm khi dùng các ứng dụng trong đó chúng
không được hạ tải điện thế.
- Các động cơ này thường có các mô men xoắn khởi động lớn hơn các
động cơ mắc song song (rẽ).
ꢈ
ꢇ
ꢆꢇ =
ꢀꢇ + ꢀꢍ
ꢉ = ꢊꢋꢆꢇꢌ = ꢊꢋꢆꢇꢎ
trong đó: Ia, Va = Ứng dòng, điện thế
Ra, Rf = Ứng và điện trở cuộn dây trường
T = mô men xoắn trên trục động cơ
Kt = hằng số tốc độ động cơ
Φ = thông lượng trường động cơ
The XXXXXXX
ꢏꢍ = ꢐ ꢑ + ꢒꢓꢇꢑꢇ + ꢏꢔ
ꢇ ꢇ
ꢏꢔ = ꢊꢕꢖꢒ
ꢉ = ꢊꢗꢑꢇ
(
)
ꢏꢇ = ꢐ + ꢓꢇꢒ ꢑꢇ + ꢊꢕꢒꢖ
ꢇ
ꢉ
(
)
ꢏꢇ = ꢐ + ꢓꢇꢒ ꢘ ꢙ + ꢊꢕꢒꢖ
ꢇ
ꢊꢗ
Figure 24.19 Equations for an armature controlled DC motor
Các phương trình cho một động cơ một chiều được điều khiển ứng
Các động cơ phức hợp
- có các cuộn dây rô to và stato được nối nối tiếp.
- các động cơ phức hợp vi phân có các trường dây song song và nối tiếp được
căn chỉnh (sắp xếp) để chúng đối chọi nhau.
- Các động cơ phức hợp tích lũy có các trường dây điện song song và nối tiếp
được sắp xếp để chúng thêm
ꢏꢍ = ꢐ ꢑ + ꢓꢍꢑꢍꢒ
ꢍ ꢍ
ꢉ = ꢊꢗꢑꢍ
ꢉ
= ꢚꢒꢎ + ꢛꢒ
ꢖ
ꢖ
ꢉ
1
=
ꢚꢒꢎ + ꢛꢒ
ꢖ
ꢖ ꢉ
ꢊꢗ
=
=
ꢑꢍ ꢉ ꢑꢍ ꢚꢒꢎ + ꢛꢒ
ꢑ
ꢖ
ꢖ
ꢊꢗ
1
ꢍ
=
= ꢘ
ꢙ (
)
ꢏꢍ ꢑꢍ ꢏꢍ
ꢚꢒꢎ + ꢛꢒ ꢐ + ꢓꢍꢒ
ꢍ
ꢑ
ꢉ
ꢉ
1
ꢍ
=
= ꢊꢗ(
)
ꢏꢍ ꢑꢍ ꢏꢍ
ꢐ + ꢓꢍꢒ
ꢍ
Figure 24.20 Equations for a controlled field motor
Các phương trình cho một động cơ trường được điều khiển
24.3 ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Các hệ thủy lực được dùng trong các ứng dụng yêu cầu một lượng lớn lực và các
tốc độ chậm. Khi được dùng cho các truyền động liên tục chúng được dùng chủ yếu
với phản hồi vị trí. Một hệ ví dụ được chỉ ra trong hình 24.21. Bộ điều khiển này kiểm
tra vị trí của hệ thủy lực, và điều khiển một van tự động. Điều này điều khiển lưu
lượng của dòng chất lỏng tới bộ truyền động. Phần còn lại cung cấp thủy lực cho điều
khiển hệ này.
Figure 24.21 Hydraulic Servo System – Hệ tự động thủy lực
Van được dùng trong một hệ thủy lực điển hình là một van cuộn cảm điều khiển
mà van này đơn giản là được mở hay bị đóng. Các cái mới hơn, đắt hơn, các thiết kế
van dùng một sơ đồ như xung với điều biến (PWM) mà nó mở/đóng van này một
cách nhanh chóng để chỉnh tốc độ dòng chảy.
24.4 CÁC HỆ KHÁC
Các bộ truyền động liên tục đã thảo luận trước trong chương này là các loại rất
phổ biến. Đối với các mục đích của các bộ truyền động bổ sung hoàn chỉnh được liệt
kê và mô tả một cách ngắn gọn dưới đây.
Các bộ làm nóng – để điều khiển một bộ làm nóng với một nhiệt độ liên tục
một sơ đồ PWM có thể được dùng để giới hạn một điện thế một
chiều, hay một SCR có thể được dùng để cung cấp phần nào đó của
một dạng sóng dòng xoay chiều.
Các hệ khí lực – các hệ điều khiển khí có thể được dùng cho định vị với phản
hồi phù hợp. Các vận tốc cũng có thể được điều khiển bằng cách
dùng các van phản ứng nhanh.
Các động cơ tuyến tính – một động cơ tuyến tính làm việc trên cùng một ý
tưởng như là một động cơ quay bình thường. Sự khác biệt chính là
chúng có một giới hạn đường đi và giá thông thường là cao hơn
nhiều so với các bộ truyền động tuyến tính khác.
Bi lăn – chuyển động quay được chuyển sang tới các chuyển động tịnh tiến
bằng cách sử dụng các bi lăn. Chúng là những bi lăn ma sát thấp mà
chúng điều khiển đai ốc (nuts filled) được làm căng với các vòng bi
hình cầu (ball bearings). Chúng thường được dùng với các thanh
trượt để chống đỡ các tải cơ khí.
24.5 TÓM TẮT
Các động cơ nguồn xoay chiều làm việc trong các tốc độ cao hơn
Các động cơ nguồn một chiều làm việc trong một phạm vi nào đó của các tốc
độ
Điều khiển chuyển động đưa các giới hạn vận tốc và gia tốc tới các điều khiển
tự động
Các hệ thủy lực làm cho định vị dễ dàng
24.6 BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Một động cơ bước được dùng để điều khiển từng trục trong ba trục thẳng của một
rô bốt tọa độ Đề Các. Trục đầu ra động cơ này sẽ được nối với một đường ren đinh
ốc với một bước răng là 0,125 ing. Nó mong chờ rằng phân giải điều khiển của từng
trục trong các trục là 0,025 ing.
a) Để lấy được phân giải điều khiển này bao nhiêu góc bước cần đến trên
động cơ bước này?
b) Cái gì tương ứng với góc bước?
c) Xác định tốc độ xung mà nó sẽ được yêu cầu để điều khiển một bản lề cho
trước tại một tốc độ là 3,0 ing một giây.
2. Đối với động cơ bước trong câu hỏi trước, một dãy xung được sinh ra bởi bộ điều
khiển rô bốt ấy.
a) Bao nhiêu xung cần thiết cho quay động cơ này qua ba chu kỳ hoàn chỉnh?
b) Nếu được mong muốn quay động cơ này tại một tốc độ là 25 chu kỳ một
phút, tốc độ xung phải được sinh ra từ bộ điều khiển rô bốt này là gì?
3. Giải thích các sự khác nhau giữa các động cơ bước, các động cơ cảm ứng tần số
biến thiên và các động cơ một chiều bằng cách sử dụng các bảng.
4. 5. Trả lời ngắn:
a) So sánh các loại khác nhau của các động cơ được thảo luận trong lớp bằng cách
dùng bảng được chi tiết hóa.
b) Khi dùng một động cơ có các giới hạn ma sát tĩnh và động. Sự hiệu chỉnh khoảng
trung hòa sẽ cho phép động cơ này chuyển động chậm hơn cả hai, chỉ một, hay
không cái nào? Giải thích câu trả lời của bạn.
c) Mục đích của một đường cong (đồ thị) hiệu chuẩn là gì?
24.7 GIẢI PHÁP CHO BÀI TẬP THỰC HÀNH
ꢜꢝ
ꢜꢝ
a) ꢁ = 0,125 ꢞꢟꢋ; ꢀ = 0,025 ꢠꢋꢕꢡ
ꢦꢧ
ꢖ = ꢢꢣ = ꢤ,ꢤꢎꢥꢨꢩꢪꢫ = 0,2 ꢠꢋꢕꢡ
vì thế
= 5 ꢠꢋꢕꢡ
ꢞꢟꢋ
ꢬ
ꢭꢮꢩ
ꢦꢧ
ꢤ,ꢬꢎꢥ
ꢭꢮꢩ
ꢞꢟꢋ
ꢤ,ꢎ
ꢨꢩꢪꢫ
ꢞꢟꢋ
ꢯꢕꢰ
b) ꢖ = 0,2 ꢠꢋꢕꢡ = 72
ꢠꢋꢕꢡ
ꢦꢧ
ꢱ
ꢨ
c) ꢁꢁꢅ =
= 120 ꢠꢋꢕꢡꢠ
ꢦꢧ
ꢠ
ꢤ,ꢤꢎꢥ
ꢨꢩꢪꢫ
2.
a) ꢄꢲꢓꢳꢏꢳ = 3ꢐꢴꢵ ꢶ5
ꢠꢋꢕꢡ
(
)
ꢷ = 15 ꢳꢵꢏꢄꢳ
ꢞꢟꢋ
ꢞꢟꢋ
b) ꢡꢸꢹꢠꢕꢠ = ꢶ25
ꢷ ꢶ5 ꢠꢞꢋꢟꢕꢋꢡꢷ = 125 ꢠꢋꢕꢡꢠ = 125 ꢶꢬꢔꢜꢝꢷ ꢠꢋꢕꢡꢠ = 2,08 ꢠꢋꢕꢡ
ꢠ
ꢔꢜꢝ
ꢔꢜꢝ
ꢺꢤꢠ
ꢔꢜꢝ
ꢠ
3.
Tốc độ
các tốc độ rất chậm
Điều khiển tần số biến thiên khoảng tốc độ bị giới hạn
Mô men xoắn
Động cơ bước
mô men xoắn thấp
tốt tại tốc độ được đánh giá
giảm ở các tốc độ cao hơn
Động cơ nguồn một chiều
khoảng rộng
4.
a)
Loại động cơ
Giá
Mô men
xoắn
TB
TB
TB
thấp
TB
cao
Tốc độ
Ứng dụng
AC/Cảm ứng
DC Chổi quét
DC Không chổi
Bước
Song song
Nối tiếp
thấp
thấp/trung bình
cao
thấp/trung bình
trung bình
trung bình
giới hạn
biến thiên tồn tại ngắn
các ứng dụng người dùng/điện lớn
biến thiên độ chính xác cao
định vị
thấp
khác nhau
khác nhau các mô men xoắn cắt lớn
b) Các hiệu chỉnh khoảng trung hòa cho phép động cơ này không bị gián đoạn bởi lực
ma sát tĩnh. Một khi di chuyển tự do mô men xoắn này yêu cầu ‘cài’ (‘stick’) động cơ
này được xác định bởi lực ma sát động thấp hơn. Nói chung điều này có nghĩa động
cơ này có thể chuyển động hơi chậm hơn tốc độ tối thiểu ma sát tĩnh, nhưng không
tốc độ tối thiểu ma sát động.
c) Hiệu chỉnh là một quá trình ở đó các đầu ra thiết bị có liên quan với các đầu vào.
Các kết quả này sau đó được dùng sau để thuật lại các đầu ra thiết bị đo với hiện
tượng vật lý thực sự. Ví dụ, trong phòng thí nghiệm, các bộ đo số vòng quay được
hiệu chỉnh bằng cách chỉnh nó tại một tốc độ đều đặn nào đó. Tốc độ này được đo
với một bộ đo số vòng quay nhấp nháy và đầu ra điện thế cũng được ghi lại. Chúng
sau đó được dùng để làm một đồ thị quan hệ giữa điện thế và tốc độ. Sau đó bộ đo
số vòng quay nhấp nháy này không được dùng nữa và đầu ra điện thế của bộ đo số
vòng quay này được dùng để tính toán tốc độ ấy.
24.8 GIAO BÀI TẬP
1. Một động cơ bước được dùng để truyền động một bản lề của một cánh tay rô bốt
trong một ứng dụng chọn ra và đặt vào công suất đèn. Góc bước của động cơ này là
10 độ. Cho mỗi xung được nhận từ nguồn dãy xung động cơ này quay qua một
khoảng cách của một góc bước.
Tải về để xem bản đầy đủ
21 trang
20201
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 24: Thiết bị truyền động tín hiệu liên tục", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_he_thong_san_xuat_tu_dong_hoa_voi_plcs_phan_24_th.pdf
