thiết kế một mạch đếm tốc độ động cơ tuabin đơn giản sử dụng vi điều khiển họ 8051.

Ch¬ng I: Më ®Çu

1. §Æt vÊn ®Ò.

Ngµy nay cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh khoa häc kü thuËt, kü thuËt ®iÖn

tö mµ trong ®ã lµ kü thuËt sè ®ãng vai trß quan träng trong mäi lÜnh vùc khoa häc kü

thuËt, qu¶n lý, c«ng nghiÖp tù ®éng hãa, cung cÊp th«ng tin... do ®ã chóng ta ph¶i

n¾m b¾t vµ vËn dông nã mét c¸ch cã hiÖu qu¶ nh»m gãp phÇn vµo sù ph¸t triÓn nÒn

khoa häc kü thuËt thÕ giíi nãi chung vµ trong sù ph¸t triÓn kü thuËt ®iÖn tö nãi riªng.

ViÖc ¸p dông nh÷ng thµnh tùu cña ngµnh ®iÖn tö, tù ®éng hãa vµ qu¸ tr×nh ®iÒu

khiÓn tù ®éng c¸c thiÕt bÞ nhiÖt ®· mang l¹i nh÷ng hiÖu qu¶ kinh tÕ vµ kü thuËt rÊt to

lín. Chi phÝ s¶n xuÊt gi¶m xuèng, hiÖu suÊt, hiÖu qu¶ lµm viÖc t¨ng lªn. §Æt biÖt lµ ®é

chÝnh x¸c vµ tin cËy cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö h¬n h¼n so víi viÖc vËn hµnh c¸c thiÕt bÞ

nhiÖt b»ng tay.

Trong nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn, bé phËn quan träng nhÊt vµ ®¾t tiÒn nhÊt lµ tuabin. Vµ

tèc ®é cña tuabin chÝnh lµ mét trong nh÷ng th«ng sè quan träng ®¸nh gi¸ chÊt lîng

cña qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn tù ®éng. ViÖc ®o ®¹c chÝnh x¸c vµ chuyÒn t¶i tøc thêi ®Õn n¬i

®iÒu khiÓn ®· trë thµnh mét nhu cÇu thiÕt yÕu cña nhµ m¸y.

Tõ nhu cÇu thùc tÕ ®ã vµ nh÷ng g× ®· ®îc häc ë trêng, em quyÕt ®Þnh thiÕt kÕ

mét m¹ch ®Õm tèc ®é ®éng c¬ tuabin ®¬n gi¶n sö dông vi ®iÒu khiÓn hä 8051.

2. Chän ph¬ng ¸n thiÕt kÕ.

Víi m¹ch ®o vËn tèc tuabin dïng vi ®iÒu khiÓn cã c¸c u ®iÓm sau:

§¶m b¶o ®é chÝnh x¸c cao

TÇn sè ®¸p øng cña m¹ch nhanh, cho phÐp ®Õm víi tÇn sè cao.

Tæn hao c«ng suÊt bÐ.

Gi¸ thµnh h¹.

M¹ch ®¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn.

Cã kh¶ n¨ng kÕt nèi víi m¸y tÝnh.

Cã kh¶ n¨ng so s¸nh vµ liªn kÕt víi c¬ cÊu b¶o vÖ vît tèc cña tuabin.

Sè linh kiÖn sö dông trong m¹ch Ýt h¬n.

M¹ch cã thÓ lu l¹i sè liÖu ®· ®o ®¹c.

Môc ®Ých, yªu cÇu cña ®Ò tµi:

Trong ®å ¸n nµy em thùc hiÖn m¹ch ®o tèc ®é b»ng ph¬ng ph¸p ®Õm xung. Nh

vËy, øng víi mçi vßng quay cña roto sÏ t¹o ra mét xung bëi mét thiÕt bÞ gäi lµ c¶m

biÕn. Khi roto quay ®îc mét vßng, c¶m biÕn sÏ nhËn ra vµ t¹o ra mét xung ®iÖn ®a vÒ

khèi xö lý ®Ó t¨ng dÇn sè ®Õm. Cø sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh th× sè ®Õm nµy

®îc hiÖn thÞ ra mµn h×nh vµ ®îc reset trë l¹i vÒ kh«ng ®Ó b¾t ®Çu mét chu tr×nh míi.

Trong qu¸ tr×nh ®Õm, nÕu ph¸t hiÖn ra sè vßng quay trong mét ®¬n vÞ thêi gian vît

qu¸ mét gi¸ trÞ ®Þnh tríc th× vi ®iÒu khiÓn sÏ xuÊt ra mét tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu

nµy sÏ ®iÒu khiÓn m¹ch ®éng lùc ®Ó ®¶m b¶o m¸y ph¸t kh«ng ch¹y qu¸ tèc ®é giíi

h¹n cho tríc.

X©y dùng s¬ ®å khèi tæng qu¸t

Ch¬ng II: Tæng quan c¸c ph¬ng ph¸p ®o tèc ®é

§Ó ®o vËn tèc gãc th êng øng dông c¸c ph ¬ng ph¸p sau ®©y: − −

Sö dông tèc ®é kÕ vßng kiÓu ®iÖn tõ: nguyªn lý ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t îng −

c¶m øng ®iÖn tõ. C¶m biÕn gåm cã hai phÇn: phÇn c¶m (nguån tõ th«ng) vµ phÇn øng

(phÇn cã tõ th«ng ®i qua). Khi cã chuyÓn ®éng t ¬ng ®èi gi÷a phÇn c¶m vµ phÇn −

øng, tõ th«ng ®i qua phÇn øng biÕn thiªn, trong nã xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng

x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

e = - dt

dΦ

Th«ng th êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng: −

Φ (x) = Φ 0.F(x)

Trong ®ã x lµ biÕn sè cña vÞ trÝ thay ®æi theo vÞ trÝ gãc quay hoÆc theo ® êng −

th¼ng,

khi ®ã suÊt ®iÖn ®éng e xuÊt hiÖn trong phÇn øng cã d¹ng:

e = - Φ .

dx

dF(x)

.

dt

dx

SuÊt ®iÖn ®éng nµy tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o.

Sö dông tèc ®é kÕ vßng lo¹i xung: lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®o tÇn sè chuyÓn

®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng tuÇn hoµn, vÝ dô chuyÓn ®éng quay. C¶m biÕn lo¹i

nµy th êng cã mét ®Üa ® îc m· ho¸ g¾n víi trôc quay, ch¼ng h¹n gåm c¸c phÇn − −

trong suèt xen kÏ c¸c phÇn kh«ng trong suèt. Cho chïm s¸ng chiÕu qua ®Üa ®Õn mét

®Çu thu quang, xung ®iÖn lÊy tõ ®Çu thu quang cã tÇn sè tØ lÖ víi vËn tèc quay cÇn ®o.

Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ

* Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc gãc

- Tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu:

S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh.

Stato (phÇn c¶m) lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, roto (phÇn

øng) lµ mét trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i, trªn mÆt ngoµi roto xÏ c¸c r·nh song song

víi trôc quay vµ c¸ch ®Òu nhau. Trong c¸c r·nh ®Æt c¸c d©y dÉn b»ng ®ång gäi lµ d©y

chÝnh, c¸c d©y chÝnh ® îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng c¸c d©y phô. Cæ gãp lµ −

mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n c¸c l¸ ®ång c¸ch ®iÖn víi nhau, mçi l¸ nèi víi mét d©y

chÝnh cña roto. Hai chæi quÐt Ðp s¸t vµo cæ gãp ® îc bè trÝ sao cho t¹i mét thêi ®iÓm −

chóng lu«n tiÕp xóc víi hai l¸ ®ång ®èi diÖn nhau.

Khi r« to quay, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y dÉn x¸c ®Þnh theo biÓu

thøc:

ei = - . dt

dΦi

Trong ®ã dΦ i lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt:

d

Φ i = d Sc

d

Bi

= dS c B iN

dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt:

dSc = lvdt = lrdt

Trong ®ã:

l - chiÒu dµi d©y dÉn.

v - vËn tèc dµi cña d©y.

ω

- vËn tèc gãc cña d©y.

r - b¸n kÝnh quay cña d©y.

BiÓu thøc cña suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y:

e = - ω

rlBiN

SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ® êng trung tÝnh: −

Ep = - π

ω

2

.N.Φ0

= - nNΦ0

N - tæng sè d©y chÝnh trªn roto.

n - sè vßng quay trong mét gi©y.

Φ0

- lµ tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m.

T ¬ng tù tÝnh ® îc suÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn tr¸i: − −

Et = nNφ

0

Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm c¸c d©y m¾c nèi tiÕp

víi nhau, cßn hai côm th× m¾c ng îc pha nhau. −

* Tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu

- M¸y ph¸t ®ång bé:

S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu kiÓu m¸y ph¸t ®ång bé biÓu

diÔn trªn h×nh

Thùc chÊt ®©y lµ mét m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu nhá. Roto (phÇm c¶m) cña m¸y

ph¸t lµ mét nam ch©m hoÆc tæ hîp cña nhiÒu nam ch©m nhá. PhÇn øng gåm c¸c cuén

d©y bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mÆt trong cña stato lµ n¬i cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng

h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é quay cña roto.

e = E.sin Ω t

Trong ®ã E = K1ω

,

Ω = K2. ω

, K1 vµ K2 lµ c¸c th«ng sè ®Æc tr ng cho m¸y −

ph¸t.

Gi¸ trÞ cña ω

cã thÓ tÝnh ® îc theo E hoÆc − Ω

- X¸c ®Þnh ω

tõ biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng:

Cuén c¶m øng cã trë kh¸ng trong:

Zi = Ri + jLiΩ

Trong ®ã Ri, Li lµ ®iÖn trë vµ tù c¶m cña cuén d©y. §iÖn ¸p ë hai ®Çu cuén øng

víi t¶i R cã gi¸ trÞ:

U =

2 2

( ) ( )

.

R + Ri + LiΩ

R E

=

2

2

2

1

( ) ( )

.

R + Ri + K LiΩ

R K ω

Tõ biÓu thøc , ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®é quay ω

. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông m¸y ph¸t nh mét c¶m biÕn vËn tèc lµ R>>Zi ®Ó sao cho cã −

thÓ coi U ≈

E.

§iÖn ¸p ë ®Çu ra ® îc chØnh l u thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, ®iÖn ¸p nµy kh«ng − −

phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m khi tÇn sè thÊp. MÆt kh¸c, sù cã mÆt

cñabé läc lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn.

- X¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o tÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng: ph ¬ng ph¸p nµy cã u − −

®iÓm lµ tÝn hiÖu cã thÓ truyÒn ®i xa mµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu kh«ng ¶nh h ëng tíi ®é −

chÝnh x¸c cña phÐp ®o.

- M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé:

CÊu t¹o cña m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé t ¬ng tù nh ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hai − −

pha.

Roto lµ mét ®Üa h×nh trô kim lo¹i máng vµ dÞ tõ quay cïng tèc ®é víi trôc cÇn

®o, kèi l îng vµ qu¸n tÝnh cña nã kh«ng ®¸ng kÓ. −

Stato lµm b»ng thÐp tõ tÝnh, trªn ®ã bè trÝ hai cuén d©y, mét cuén lµ cuén kÝch

thÝch ® îc cung cÊp ®iÖn ¸p Vc cã biªn ®é Ve vµ tÇn sè −

ω

e æn ®Þnh Vc = Ve cos ω

e t .

Cuén d©y thø hai lµ cuén d©y ®o. Gi÷a hai ®Çu ra cña cuén nµy xuÊt hiÖn mét

suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é gãc cÇn ®o:

em = Em.cos(ω

et +

ϕ

) = kω Vecos (ω

et +

ϕ

)

Trong ®ã k lµ h»ng sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y, ϕ

lµ ®é lÖch pha.

c- Tèc ®é kÕ xung

Tèc ®é kÕ xung th êng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, ch¾c ch¾n, chÞu ®ùng tèt trong m«i −

tr êng ®éc h¹i, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ chèng suy gi¶m tÝn hiÖu cao, dÔ biÕn ®æi tÝn −

hiÖu sang d¹ng sè. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt quay vµ dÊu hiÖu m· ho¸ trªn vËt

quay, ng êi ta sö dông lo¹i c¶m biÕn thÝch hîp. −

- C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn: sö dông khi vËt quay lµ s¾t tõ.

- C¶m biÕn tõ ®iÖn trë: sö dông khi vËt quay lµ mét hay nhiÒu nam ch©m nhá.

- C¶m biÕn quang cïng víi nguån s¸ng: sö dông khi trªn vËt quay cã c¸c lç,

® êng v¸t, mÆt ph¶n x¹. −