Bài giảng Hệ thống cơ điện tử - Chương 2: Thành phần đầu vào của cơ điện tử

Thành Phần Đầu Vào Của Hệ Thống Cơ Điện Tử GV: TS. Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện Mô Đun Môi Trường Mô Đun Môi Trường Môđun môi trường hình thành từ điều kiện biên hoặc các tiêu chuẩn, quy tắc thực tế và chức năng thực hiện của hệ thống. Môđun môi trường vừa đóng vai trò đầu vào vừa đóng vai trò đầu ra của hệ thống sản phẩm. Ví dụ: xe tải có bộ giảm xóc thông minh, bộ giảm xóc này có thể chỉnh sao cho xe có thể chạy trên đường xóc, khi quẹo hoặc chuyển động trên đường khập khễnh vv cũng y như chạy trên đường bằng phẳng. Trường hợp này độ nhấp nhô mặt đường là điều kiện biên. Mô Đun Môi Trường ► Liên quan đến các thông số bên ngoài ► Vừa đóng vai trò đầu vào, đầu ra ► Không hiện diện trong sản phẩm cơ điện tử ► Đặc biệt đối với các hệ thống điều khiển trong công nghiệp chú ý môi trường điện từ trường và nhiễu tín hiệu do đột biến áp khi kích hoạt động cơ ba pha nối tam giác Mô Đun Đo Lường Mô Đun Đo Lường Cảm biến: cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinh tại đầu ra của nó một tín hiệu tương ứng. Xử lý tín hiệu: chuyển đổi các tín hiệu từ cảm biến thành trạng thái phù hợp để hoặc hiển thị hoặc vào mô đun xử lí. Hệ thống hiển thị: nơi tín hiệu ra từ bộ xử lý tín hiệu được thể hiện dưới dạng con số so với đơn vị đo( hiển thị số) hoặc dạng biểu đồ ( hiển thị tương tự). Mô Đun Đo Lường Khi thiết kế hệ thống đo, lưu ý các yêu cầu sau: Nhận dạng bản chất các yêu cầu của phép đo: vùng giá trị, độ chính xác, tốc độ phép đo,độ tin cậy và môi trường đo. Nhận dạng đầu ra: dạng hiển thị yêu cầu, thông số đo là một phần của hệ thống điều khiển ( ví dụ: các ứng dụng điều khiển có thể yêu cầu dòng điện từ 4-20mA). Nhận dạng các sai lệch của cảm biến: toàn thang đo, độ chính xác, tính tuyến tính, tốc độ đáp ứng, độ tin cậy, khả năng duy trì, tuổi thọ, nguồn cấp. Chọn giải pháp xử lý tín hiệu phù hợp. Mô Đun Đo Lường Bộ Cảm Biến & Bộ Chuyển Đổi Bộ Cảm Biến Cảm Biến Đo Chuyển Vị Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển Cảm Biến Đo Tốc Độ Cảm biến này có thể đo tốc độ góc và độ tịnh tiến, đó là các bộ mã hóa quang học gia số (incremental encoder) và bộ đo tốc độ góc (tachognerator). Cảm Biến Đo Lực & Áp Suất Cảm biến đo lực: đo lực có thể xác định qua các đại lượng trung gian như khoảng cách dịch chuyển khi dung tế bào đo lực tenxơ. Cảm biến đo áp suất: thông qua biến dạng dẻo do chênh lệch áp tại hai phía màng ngăn, đầu chặn hoặc ống nhờ một số sensor do chuyển dịch. Cảm Biến Đo Lưu Lượng & Mức Cảm biến đo lưu lượng: dạng tấm có lỗ thông qua biến trung gian áp suất hoặc dạng tua-bin thông qua sự quay của roto (vận tốc góc tỉ lệ thuận với tốc độ lưu lượng. Cảm biến đo mức chất lỏng: nguyên lí kiểm soát chuyển động của phao hoặc chênh lệch áp lực. Cảm biến đo mức chất lỏng Cảm Biến Nhiệt Cảm biến nhiệt: ở đây sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự giãn hoặc co vật chất rắn, lỏng hoặc khí, tạo nên sự thay đổi điện trở của dây dẫn hoặc bán dẫn. Cảm biến nhiệt có thể sử dụng nguyên lí của bimental, cảm biến nhiệt điện trở, điện trở nhiệt, cặp nhiệt ngẫu. Điện trở nhiệt Cặp nhiệt ngẫu Cảm Biến Tiếp Xúc Cảm biến tiếp xúc: đây là các công tắc giới hạn hành trình được dùng trong chuyển động bàn máy của các máy công cụ tự động nhỏ để đóng tiếp xúc. Cảm Biến Không Tiếp Xúc Cảm biến không tiếp xúc: như công tắc lưỡi từ (magnetic reed sensor), cấu tạo bởi 2 tiếp điểm vật liệu feromagnetic được đóng kín trong một ống thủy tinh nhỏ chứa đầy khí trơ- nitơ. Đây là một sensor nhận dạng không tiếp xúc, thường được sử dụng để cảm nhận vị trí của tay đòn piston xi lanh khí nén và góc quay trong các thành phần kích truyền động tròn như tốc kế góc (tachometer). Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor) Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại. Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn. Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm Những ứng dụng: Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor) Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng. Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.g. gỗ, giấy, nước, nhựa ). Thành phần chính: mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn. Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung Một số ứng dụng Cảm Biến Nhận Dạng Quang Điện Cảm biến nhận diện quang điện (photoelectric proximiti sensor) : còn được gọi là cảm biến tiệm cận, dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể, khoảng cách nhận dạng có thể lên đến 100m. Xử Lý Tín Hiệu Mạch Giao Tiếp Hệ đo Vi Xử LýXử Lý Tín HiệuInput Output Input Thuật ngữ mạch giao tiếp (interface) được sử dụng để chỉ những sự kết nối giữa thiết bị và một cổng. Đó có thể là những đầu ra từ các cảm biến, các đóng ngắt, các bảng chuyển mạch và các đầu ra tới màn hiển thị hoặc hệ kích truyền động. Quá Trình Xử Lý Tín Hiệu Tránh hư hại thiết bị khỏi dòng hoặc điện áp cao như điện trở giới hạn dòng, cầu chì, mạch giới hạn điện áp và bảo vệ cực. Bảo vệ (protection) Chuyển tín hiệu thành điện áp hoặc dòng AC, DC. Đưa tín hiệu về đúng dạng (right type of signal) Đưa tín hiệu về đúng mức (level) Điều hòa tín hiệu về mức cần thiết thông qua các mạch xử lí như mạch khuếch đại. Loại hoặc giảm nhiễu (eliminate /reduce noise) Sử dụng các mạch lọc. Bộ Khuếch Đại Thuật Toán Op-Amp thường Op-Amp lý tưởng Một Op-Amp có các ngõ vào (Input signal) và các ngõ ra (Output signal) có quan hệ như sau: Output signal = A x Input signal Trong đó A là hệ số khuếch đại Tùy thuộc vào tín hiệu vào và tín hiệu ra, có 4 loại sau: điện áp ra/ điện áp vào, dòng điện ra/ dòng điện vào, điện áp ra/ dòng điện vào, dòng điện ra/ điện áp vào. Bộ Khuếch Đại Thuật Toán LM741 là một bộ khuếch đại thuật toán thông dụng hoạt động theo các chuẩn công nghiệp hiện nay. Một số đặc tính của Op-amp LM741 như sau: • Điện áp nguồn: ±18V • Công suất tiêu thụ: 500mW • Tín hiệu ngõ vào tối đa: ±15V • Tín hiệu vi sai ngõ vào tối đa: ±30V Bộ Khuếch Đại Thuật Toán 5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính • Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞  v1 = v2 • Trở kháng vào vô cùng lớn: Rin = ∞  i1 = i2 = 0 • Trở kháng ra vô cùng bé: Rout = 0  Không tiêu hao năng lượng • Băng thông vô cùng lớn  Không giới hạn tần số làm việc • Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ  Vout = 0 (khi v1 = v2) Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch so sánh Các Mạch Op-amp Cơ Bản Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch lặp điện áp Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch khuếch đại đảo Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến -5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Chọn Lưu ý: giá trị của Ri thường được chọn sao cho: Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch khuếch đại không đảo Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết kế mạch khuếch đại không đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Chọn Lưu ý: giá trị của Ri và Rf thường được chọn sao cho: Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch tổng Thí dụ: Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V. Điện áp ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V. Thiết kế mạch giao tiếp để kết nối tín hiệu của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa. Nếu Các Mạch Op-amp Cơ Bản Giải: Hệ số khuếch đại: A = Rf / Ri = 5 Chọn Một mạch đảo dấu (với A = 1) được dùng để đảm bảo tín hiệu ra có giá trị dương Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch khuếch đại vi sai Nếu và Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch tích phân Các Mạch Op-amp Cơ Bản Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân. Mạch có trở kháng là 10 k và điện dung là 1 F. • Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2. • Nếu t1 = 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2 khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V). Giải: Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch vi phân Mạch Bảo Vệ Tại đường vào các mạch bảo vệ có thể sử dụng loạt điện trở giới hạn dòng đến mức chấp nhận hoặc cầu chì ngắt nếu dòng vượt quá. Trường hợp muốn cách li mạch hoàn toàn và loại bỏ các mối nối điện giữa chúng có thể sử dụng cách li bằng quang (opto isolator). Cách ly bằng transitor quang Mạch Lọc Lọc là quá trình thực hiện loại bỏ số dải tần số nhất định chỉ cho phép một số giải truyền qua bộ lọc. Ranh giới giữa hai dãy này gọi là tần số cắt đứt (cut off- frequence). Thông thấp Thông cao Thông dải Chặn dải Cầu Watson Cầu Watson Một số cảm biến sơ cấp chuyển đổi giá trị của tín hiệu được đo thành giá trị điện trở. Mạch cầu Watson là phương pháp phổ biến để xác định sự thay đổi nhỏ về điện trở của một phần tử. Cầu Watson Ứng dụng để thực hiện mạch bù nhiệt độ (Temperature compensation) bù nhiệt ngẫu (Thermocuple compensation). Mạch cầu cân bằng: Thí dụ: Một mạch cầu Watson được dùng để đo một giá trị điện trở chưa biết (Rs như hình trên). Biến trở R3 được cân chỉnh cho đến khi mạch cầu cân bằng. Khi mạch cầu cân bằng, R2 = 500 , R3 = 226 , và R4 =1000 . Xác định giá trị Rs. Giải: Tín Hiệu Số Tín Hiệu Số Chuyển đổi tương tự số (analog to digital converter): Một nhóm các bit gọi là từ, chiều dài từ có n bit toàn thang đầu tương tự VFS sẽ được chia thành 2n mẫu. VD: Một bộ chuyển đổi tương tự số có chiều dài là 10 bit và tín hiệu tương tự ở toàn thang là 10V, khi đó độ phân dải sẽ là 10/210 =9, 8mV. Tín Hiệu Số Chuyển đổi số tương tự (digital to analog converter): Tín Hiệu Số Bộ dồn kênh (multiplexer): thực chất là một thiết bị đảo mạch, cho phép mỗi một tín hiệu đầu vào có thể lần lượt được lấy mẫu. Tín Hiệu Số Bộ đệm (buffer): là bộ nhớ ngoài, gọi là bộ đệm, để lưu trữ tạm thời tín hiệu. Đối với phần đệm đầu vào, dữ liệu được truyền khỏi nó với tốc độ quyết định bởi bộ vi xử lí. Với phần đệm đầu ra, tốc độ truyền được quyết định bởi thiết bị được cấp. Khả năng của bộ đệm phụ thuộc vào dung tích bộ nhớ và chênh lệch trong tốc độ truyền đầu vào và đầu ra. Điều Biến Điều Biến Điều Biến (modulation): là truyền tín hiệu lần lượt (không truyền trực tiếp). Khi truyền các tín hiệu DC mức thấp từ các sensor và được xử lí bởi bộ khuếch đại thuật toán có thể xảy ra hiện tượng trôi (drift) tín hiệu. Sau khi được truyền, các tín hiệu đã điều biến được giải biến để trả về trạng thái tín hiệu ban đầu. Hệ Thống Hiển Thị Hệ Thống Hiển Thị Hệ Thống Hiển Thị Hệ Thống Hiển Thị Tương Tự Hệ Thống Hiển Thị Số Cơ Cấu Hiển Thị Cơ Cấu Chỉ Thị Tự Ghi Cơ Cấu Hiển Thị Cơ Cấu Chỉ Thị Tự Ghi Chỉ thị từ điện( dụng cụ dây di động- moving coil meter), điện động và tĩnh điện( thiết bị điện kế - gavanometric hoặc phân kế- potentionetric Loại tốc độ thấp, loại tốc độ cao( máy hiện sóng- tia điện tử (cathode-ray oscilloscope)) Bộ hiển thị số LED 7 vạch, màn hình số quang học, màn hình tinh thể lỏng, máy in Thiết bị ghi từ (magnet media), thiết bị ghi dữ liệu (data logger) gồm: bộ đồn tín hiệu (multiplexer), phân nhỏ và giữ (sample & hold) và bộ biến đổi tương tự- số (analog to digital converter CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 2 1. Cảm biến là gì ? Phân loại các loại cảm biến thường dùng 2. Mô đun đo lường có chức năng gì ? Vẽ sơ đồ khối của một mô đun đo lường 3. Xử lý tín hiệu là gì ? Nêu các phương pháp xử lý tín hiệu thường dùng trong cơ điện tử