Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY Mã bài: MĐ 20.04 Giới thiệu: Trong công nghiệp có rất nhiều trƣờng hợp cần đo vận tốc quay của máy. Ngƣời ta thƣờng theo dõi tốc độ quay của máy vì lý do an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trƣớc cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài cũng thƣờng đƣợc chuyển sang đo vận tốc quay. Bởi vậy các cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ƣu thế trong lĩnh vực đo tốc độ.
Mục tiêu: - Trình bày đƣợc các phƣơng pháp đo. - Lắp ráp đƣợc một số mạch đo ứng dụng dùng các loại cảm biến trên. - Phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo,tác phong công nghiệp. Nội dung chính: 1.
Một số phƣơng pháp cơ bản. Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số. Thông thƣờng trên trục quay đƣợc đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này. Tần số đo đƣợc tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phƣơng pháp sau: Sử dụng máy phát tốc độ một chiều hoặc xoay chiều, thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo.
Đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ chuyển động kinh điển. Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với bộ mã hóa. Sử dụng máy đo góc tuyệt đối. Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stator mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ.
Đo vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp analog 1. Tốc độ kế một chiều (máy phát tốc): Máy phát tốc độ là máy phát điện một chiều, cực từ là nam châm vĩnh cửu. Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ.
Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo đƣợc tốc độ của động cơ. Giá trị điện áp âm hay dƣơng phụ thuộc vào chiều quay. Er= −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 N: số vòng quay trong 1 s. : vân tốc góc của rotor.
n: là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: là từ thông xuất phát từ cực nam châm 77 Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 4. Stator (phần cảm) là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng. Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn Hình 5.1: Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều.
Tốc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế dòng xoay chiều có ƣu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ, không có tăng, giảm điện áp trên chổi than. Nhƣợc điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lƣu và lọc tín hiệu. Máy phát đồng bộ. Là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ.
Rotor của máy phát đƣợc gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc nhiều nam châm nhỏ hình 4. Stator là phần cảm, có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor. K1 và K2 là các thông số đặc trƣng cho máy phát.
Ở đầu ra điện áp đƣợc chỉnh lƣu thành điện áp một chiều.Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. Tốc độ quay có thể xác định đƣợc bằng cách đo tần số của sức điện động. Phƣơng pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đƣờng đi không ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép đo.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ.
Máy phát không đồng bộ Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tƣơng tự nhƣ động cơ không đồng bộ hai pha (hình 4.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. Rotor là một hình trụ kim loại mỏng đƣợc quay với vận tốc cần đo, khối lƣợng và quán tính của nó không đáng kể. Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây đƣợc bố trí nhƣ hình vẽ.Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ đƣợc cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi e. ve=Vecos e t Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo.
em= Emcos( et + Φ) = k Vecos( et + Φ) Do Em = k Ve = k‟ k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Khi đo Em sẽ xác định đƣợc 1. Đo vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp quang điện tử 1. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật.
Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hƣớng chuyển động của vật thể.5: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng đƣợc lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục đƣợc tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng đƣợc lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận đƣợc ánh sáng. Đĩa đƣợc lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra.
Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hƣ hỏng đĩa quay 1. Đĩa mã hóa tương đối Encoder với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện đƣợc chiều quay, hầu hết các encoder mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian encoder quay một vòng.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trƣớc xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngƣợc lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng.7: Dạng sóng ra của Encoder 2 bộ xung Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn.Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhƣợc điểm chính của đĩa mã hóa tƣơng đối là khi mất nguồn số đềm sẽ bị mất. Nhƣ vậy khi các cơ cấu ngƣng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì thì khi khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa tuyệt đối đƣợc thiết kế để luôn xác định đƣợc vị trí vật một cách chính xác. Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng.
- Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào 81 - Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. - Các rãnh tiếp theo cho ta xác định đƣợc vị trí 1/8, 1/16. của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng.
Loại encoder này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng nhƣ nếu encoder có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu encoder có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. Ngoài việc khắc phục nhƣợc điểm của đĩa mã hóa tƣơng đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), có thể sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray. Tuy nhiên thực tế chỉ có mã Gray đƣợc sử dụng phổ biến.
Xét trƣờng hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trƣờng hợp 3 rãnh với mã nhị phân và mã Gray Mã nhị phân Bảng giá trị 1 Mã nhị phân Vòng Vòng Vùng Vòng 2 Góc 1 3 1 off off off 0° tới 45° 2 off off on 45° tới 90° 3 off on off 90° tới 135° 4 off on on 135°tới 180° 5 on off off 180°tới 225° Hình 5.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã 6 on off on 225°tới 270° nhị phân 7 on on off 270°tới 315° 8 on on on 315°tới 360° Ghi chú: Vùng màu đen qui ƣớc tƣơng ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng). Chiều quay ngƣợc chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dƣơng). Vòng trong cùng (vòng 1): tƣơng ứng với bit MSB. Vòng ngoài cùng: tƣơng ứng với bit LSB.
Một cách tổng quát, khi có n vòng thì sẽ có số lƣợng vị trí của đối tƣợng là 2 .ví dụ n = 3 số lƣợng vị trí xác định đƣợc là 23 = 8. n 82 Ở ví dụ trên, mã nhị phân đƣợc tạo ra khi đĩa quay, qua đó có thể xác định đƣợc vị trí của đĩa quay. Tuy nhiên trong thực tế việc đặt vị trí các rãnh chắn sáng và các rãnh cho ánh sáng đi qua khó mà có thể thực hiện 1 cách hoàn hảo. Trong khi đó vị trí của chúng lại quyết định giá trị gõ ra.
Ví dụ khi đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng 4 sang vùng 5), trong tức khắc, theo bảng giá trị 1, sẽ có sự chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off. Cách thức hoạt động này sẽ không có đƣợc độ tin cậy, bởi vị trong thực tế thì sẽ không thể có sự chuyển trạng đồng thời 1 cách hoàn hảo. Nếu ở vị trí vòng 1 chuyển trạng thái trƣớc, rồi đến vòng 3 và vòng 2 thì thực sự sẽ có chuỗi các mã nhị phân nhƣ sau sẽ đƣợc tạo ra.