ĐỒ án TRUYỀN ĐỘNG điên 2

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Mục lục
trang

Mục lục

1

Lời mở đầu

2

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC

4

1.1. Tổng quan về máy công cụ CNC.

4

1.1.1. Lịch sử phát triển của máy điều khiển số.

4

1.1.2. Phân loại và công dụng.

5

1.2. Máy tiện CNC.

10

1.2.1. Các bộ phận của máy tiện CNC.

10

1.2.2. Nguyên lý làm việc của máy tiện CNC.

14

1.2.3. Vận hành máy tiện CNC.

14

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

15

2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc động cơ điện một chiều.

15

2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

16

2.3. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều.

19

2.5. Giới thiệu động cơ bước.

22

2.5.1. Vai trò của động cơ bước.

22

2.5.2. Cấu tạo của động cơ bước.

22

2.5.3. Hoạt động.

22

2.6. Giới thiệu về thyristor.

23

2.7. Hệ truyền động T – Đ trong động cơ một chiều.

24

2.7.1. Khái quát chung.

24

2.7.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc.

24

2.7.3. Đặc điểm.

25

2.7.4. Phương pháp điều khiển đối xứng.

25

2.8. Sơ đồ điều khiển truyền động chính máy tiện.

26

2.9. Sơ đồ điều khiển truyền động ăn dao máy tiện.

27

1


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

CHƯƠNG III. MƠ HÌNH HĨA HỆ T-Đ

30

3.1. Mơ hình hóa bộ chỉnh lưu.

30

3.2. Mơ hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập.

31

3.2.1. Mơ hình tốn ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.

31

3.2.2. Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi.

33

Chương IV. Tính tốn và mơ phỏng trên Simulink.

35

4.1. Lựa chọn các thơng số cho q trình mô phỏng.

35

4.2. Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng Simulink.

37

4.2.1. Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.

37

4.2.2. Mô phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp
Uư không đổi (∆Up = 0).

39

4.2.3. Mạch vòng dòng điện của động cơ một chiều trong Simulink.

41

4.2.4. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ (có mạch vịng điều chỉnh dịng điện)
mơ phỏng trong Simulink.

43

4.2.5. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chế
dịng sau bộ điều khiển tốc độ (hình 3.5).

45

4.3. Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được.

47

Kết luận

48

Tài liệu tham khảo

49

2


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhiều ngành cơng nghiệp
phục vụ q trình cơng nghiệp phát triển của đất nước. Như khai thác khoáng sản, vận
chuyển nguyên vật liệu trong các bến cảng, trong các nhà máy. Băng tải dùng để vận
chuyển các vật liệu rời hay sản phẩm nhờ những ưu điểm là có khả năng vận chuyển hàng
hóa đi xa, làm việc êm năng suất cao và tiêu hao năng lượng khơng lớn lắm. Chính nhờ
những ưu điểm đó mà băng tải được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vự khai thác hầm mỏ
hay trong các nhà máy… Để tạo ra được và làm chủ những máy móc như thế địi hỏi mỗi
con người chúng ta phải tìm tòi nghiên cứu rất nhiều. Là một sinh viên em luôn thấy được
tầm quan trọng của những kiến thức mà mình được tiếp thu từ thầy cơ. Nhiệm vụ đồ án là
một cơng việc rất quan trọng trong q trình học tập bởi nó giúp cho người sinh viên nắm
được những kiến thức cơ bản của của môn học. Đồ án của em được giao là “Thiết kế mạch
điều khiển máy tiện” .
Với những kiến thức đã học và sau một thời gian nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ, hướng
dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Duy Trung cùng với sự đóng góp trao đổi xây dựng của các
bạn chúng em đã hoàn thành được đồ án được giao. Song với những hiểu biết còn hạn chế
cùng với kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, tài liệu tham khảo cịn ít nên đồ án của chúng em
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy trong bộ mơn
để đồ án của em được hồn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC
1.1. Tổng quan về máy công cụ CNC.
1.1.1. Lịch sử phát triển của máy điều khiển số.
Máy điều khiển số (Computer Numerical Control – CNC) đã ra đời từ lâu. Người ta cho
rằng sự kiện ra đời chiếc máy dệt dùng tấm thép trên đó có lỗ để tự động điều khiển đường
chuyển động của kim dệt do Joseph M.Jacquard chế tạo năm 1808, là thời điểm ra đời của
máy điều khiển số. Máy dệt được điều khiển trên cơ sở thông tin hai trạng thái, trạng thái
thứ nhất là kim ở vị trí có lỗ, tương ứng với mức logic bằng “1” và trạng thái thứ hai là kim
ở vị trí khơng có lỗ, tương ứng với mức logic bằng “0”.

Hình 1.1. Máy chơi piano dùng bìa đục lỗ.
Chương trình điều khiển máy mà thông tin điều khiển viết dưới dạng “1” và “0” được gọi là
chương trình điều khiển số và máy được điều khiển theo chương trình trên gọi là máy điều
khiển theo chương trình số.
Khi nói đến sự hình thành và phát triển các dạng máy cơng cụ điều khiển số khơng thể
khơng nói tới sự ra đời và phát triển của máy tính số. Phát minh ra máy tính là một bước
ngoặt quan trọng của điều khiển số.
Máy tính cơ lần đầu tiên được Pascal chế tạo vào năm 1642. Máy tính cơ được hình thành
trên cơ sở tổ hợp các bộ truyền bánh răng. Cho đến năm 1834, Babbage chế tạo máy tính
như là một máy tính cơ với độ chính xác cao. Máy của Babbage khơng chỉ thực hiện các
phép tính số học mà cịn hình thành được những hàm tốn học như máy tính ngày nay. Đặc

biệt là máy tính có khả năng lưu trữ, nhớ, nhập và xuất dữ liệu. Do kết cấu máy q phức
tạp nên nó khơng cịn cơ hội phát triển và đến năm 1940, Aiken người Mỹ và Zuse người
Đức đã thiết kế máy tính trên cơ sở tổ hợp điện tử và đặt tên là ENIAC ( Electronic
Numerical Intergator and Computer ).

4


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Hình 1.2. Máy tính kỹ thuật số đầu tiên ENIAC.
Cùng với bước phát triển ứng dụng điều khiển số trong máy cơng cụ một thành cơng có ý
nghĩa to lớn của hệ thống máy công cụ điều khiển số của MIT (Machachusette Institute of
Technology – MIT) là thiết kế và chế tạo thành công hệ dẫn động động cơ secvo dùng để
điều khiển các trục máy công cụ. Và thành công này càng thúc đẩy nghành máy công cụ
điều khiển số phát triển mạnh mẽ như ngày nay.
Năm 1959, mạch IC (Intergrated Cicruits) ra đời và nó nhanh chóng thay thế bóng bán dẫn.
IC có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, công suất tiêu hao nhỏ và là cơ sở để hình thành vi xử
lý sau này. IC được đưa vào sử dụng nhiều trong sản xuất bắt đầu từ những năm 1965. Do
IC có nhiều ưu điểm như đã nói ở trên nên nó nhanh chóng được ứng dụng vào các cơng
nghệ chế tạo máy tính điện tử. Trên cơ sở các mạch IC người ta thiết kế và chế tạo thành
công bộ vi xử lý (Microprocessor) cho các máy tính số.
Năm 1958, người ta sử dụng một số từ tiếng Anh làm ký tự để hình thành chương trình điều
khiển máy. Hệ điều hành này gồm chương trình điều khiển, chương trình tính tốn thơng số
hình học, tính tốn lựa chọn chế độ gia cơng như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt,
bôi trơn làm mát. Tập hợp các ký tự hình thành chương trình dùng để điều khiển máy gọi là
ngôn ngữ APT (Automatically Programmed Tool).
Năm 1976, những máy điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình mà các thơng tin

viết dưới dạng số gọi là máy điều khiển số NC (Numerical Control). Cũng vào năm 1976,
người ta đưa máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc tính điều
khiển và mở rộng bộ nhớ của máy so với các máy NC, các máy này được gọi là CNC
(Computer Numerical Control). Và sau đó các chức năng trợ giúp cho q trình gia cơng
ngày càng phát triển và năm 1965, hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng, năm

5


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

1976, hệ thống CAD/CAM/CNC ra đời. Và năm 1984, đồ hoạ máy tính phát triển, được
ứng dụng để mơ phỏng q trình gia cơng trên máy cơng cụ.

Hình 1.3. Shoda trưng bày bộ router gỗ NC (NC-111A) đầu tiên tại Hội chợ Quốc tế
Osaka.
1.1.2. Phân loại và công dụng.
a. Phân loại.

• Máy khoan CNC ( Drillling Machine).

Hình 1.4. Máy khoan CNC.
Đặc điểm chính của máy khoan đó là hệ toạ độ máy hình thành trên cơ sở hệ toạ độ Decac
theo nguyên tắc bàn tay phải với 3 trục vuông góc với nhau. Hệ thống điều khiển là hệ
thống điều khiển theo vị trí (Point to Point). Vì vậy hệ điều khiển này không cần cụm nội
suy thẳng và cong. Hệ điều khiển máy khoan CNC được thiết kế với khả năng điều khiển
tương thích với hai cách viết chương trình: hệ tuyệt đối và hệ gia số.

• Máy phay CNC ( Millling Machine).
6


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Hình 1.5. Máy phay CNC.
Cấu trúc của máy phay cũng được thiết kế trên cơ sở hệ toạ độ Decac theo nguyên tắc bàn
tay phải với ba trục toạ độ vng góc với nhau như máy khoan. Máy phay có thể có nhiều
trục máy (trục chuyển động), số trục máy ít nhất của máy phay là 2 1/2. Máy phay CNC được
trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu kẹp, tháo phôi và thay phơi
tự động.
Máy phay CNC có cấu trúc trục chính thẳng đứng được gọi là máy phay đứng. Máy phay
CNC có trục máy bố trí nằm ngang gọi là máy phay ngang. Máy phay CNC được trang bị
hệ thống điều khiển mạnh để tính tốn quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, nội suy thẳng,
nội suy vòng và các đường cong phức tạp ( Spline). Để gia công các đường cong và các bề
mặt phức tạp, máy phay CNC cần phải có số trục máy ít nhất là 3.

• Máy tiện CNC (Turning Machine).

Hình 1.6. Máy tiện CNC.
Cấu trúc cơ sở của máy tiện CNC là trục chính thường bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng,
bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng nằm ngang hoặc trên mặt phẳng nghiêng. Phôi được
kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chống tâm và đầu chống tâm có khía để
truyền momen xoắn.
7

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Máy tiện có thể có nhiều trục chính, một hoặc nhiều bàn xe dao và đầu Rơvonve. Máy tiện
CNC có khả năng công nghệ rộng như: tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, khoan tâm, cắt đứt,
tiện mặt đầu …

• Máy doa CNC ( Boring Machine).

Hình 1.7. Máy doa CNC.
Trục chính của máy doa CNC thường bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng. Khi nghiên cứu
đặc trưng công nghệ thực hiện trên máy doa, người ta nhận thấy cấu trúc máy doa hợp lý
nhất là trục chính nằm ngang. Đặc điểm cơng nghệ doa địi hỏi máy doa phải có độ chính
xác vị trí. Vì vậy máy thường được trang bị hệ thống điều khiển với mức độ tự động hoá
cao và được trang bị hệ thống thay phôi, dụng cụ tự động. Máy doa có số trục điều khiển
lớn nhất là 8.
Hệ điều khiển máy được thiết kế nằm đảm bảo máy có khả năng tự động hố lựa chọn chế
độ gia công cho phù hợp vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phơi. Máy có tính năng xác định
lượng mòn của dụng cụ và thực hiện hiệu chỉnh lượng mịn ngay trong q trình gia cơng.
Đồng thời máy còn được trang bị phần mềm đồ hoạ đủ mạnh để mơ phỏng q trình gia
cơng chi tiết trên máy.

• Máy mài CNC ( Grinding Machine).

8


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Hình 1.8. Máy mài CNC.
Dựa trên cơ sở cơng nghệ, máy mài CNC được phân ra thành các loại khác nhau. Máy mài
có các loại: mài trịn ngồi, mài răng, mài định hình và các dạng khác. Máy mài có số trục
máy từ 2 đến 9 trục.
Cơng nghệ mài địi hỏi độ chính xác, độ bóng bề mặt cao. Vì vậy độ chính xác của máy mài
CNC cao hơn so với các máy CNC khác.
b. Cơng dụng.
Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là gia cơng
trên máy CNC. Bởi vì gia công trên máy CNC rút ngắn thời gian gia cơng, đạt độ chính xác
u cầu và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động
vạn năng. Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh vì chỉ cần thay đổi chương trình
điều khiển mà khơng cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm các đồ gá chuyên dùng. Máy
điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất. Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt
nhỏ hơn vì máy có khả năng đánh giá được lượng mịn dụng cụ ngay trong q trình gia
cơng và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mòn dụng cụ.
Máy CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong q trình gia cơng. Các máy
thơng thường khơng có khả năng này. Do khơng có chức năng này, các máy vạn năng
khơng giám sát được q trình gia cơng cho nên tổn phí cho kiểm tra chất lượng cao hơn so
với máy CNC.
Thời gian gia công chi tiết ở trên máy CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng vì tập trung
ngun cơng cao, gia cơng nhiều ngun công trong cùng một lúc. Máy CNC không cần
dùng các đồ gá chuyên dùng để ga kẹp phôi.

9


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

1.2. MÁY TIỆN CNC.
1.2.1. Các bộ phận của máy tiện CNC.
Máy tiện CNC xuất hiện đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Việc tiến
hành tiện các đường cong, hình phức tạp được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu
trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người
thực hiện được giảm thiểu.

Hình 1.9. Máy tiện CNC.
.Các bộ phận chính trên máy tiện CNC:
+ Ụ tĩnh hay hộp tốc độ trục chính.
+ Ổ tích dao.
+ Giá đỡ ổ tích dao.
+ Bảng điều khiển.
+ Cửa đóng mở khu vực gia công.
+ Ụ động.
+ Mâm cặp.
a. Ụ tĩnh (Hộp tốc độ trục chính)
Tạo ra các tốc độ cắt gọt khác nhau.

10


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Kết cấu: Gồm trục chính, đầu trục chính lắp với mâm cặp được dẫn động bởi động cơ
Secvo.

Hình 1.10. Hộp tốc độ trục chính
Được điều chỉnh và thay đổi tốc độ, chiều quay tuỳ theo yêu cầu, phía sau trục chính là hệ
thống truyền động thuỷ lực để đóng mở hoặc kẹp chi tiết.
b. Ổ tích dao
Có hai loại:
+ Đầu Rơvơnve: Là một bộ phận được tiêu chuẩn hố có thể gá được 12 con dao khác nhau.
Trên đầu Rơvônve có lắp với các khối mang dao và trực tiếp lắp với các dụng cụ cắt tương
ứng.

Hình 1.11. Đầu Rơvơnve.
Đầu Rơvơnve thay đổi dao bằng cách thay đổi vị trí của dao theo chương trình đã được lập
sẵn.
+Ổ chứa dao: kết hợp với đồ gá tháo lắp dao tự động.
11


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

c. Giá đỡ ổ tích dao
Nhiệm vụ: Để lắp với ổ tích dao, thực hiện các chuyển động tịnh tiến ra, vào, vng góc với
trục chính của máy, những chuyển động này được lập trình sẵn.
Dao cắt

Nắp trên khối mang dao

Nắp trên ổ tích dao

Nắp trên giá đỡ ổ tích dao

d. Mâm cặp
Q trình đóng mở và hãm mâm cặp để tháo lắp chi tiết bằng hệ thống thuỷ lực, lực phát
động nhỏ và an toàn. Đối với máy tiện CNC thường được gia công với tốc độ rất cao. Số
vịng quay của trục chính lớn ( có thể lên tới 8000 vg/ph – khi gia công kim loại màu). Do
đó lực ly tâm là rất lớn nên các mâm cặp thường được kẹp chặt bằng hệ thống thuỷ lực
( hoặc khí nén) tự động thơng qua chương trình.

Hình 1.12. Mâm cặp thủy lực.
e. Ụ động
Được thiết kế với vai trị là trục thứ hai đầu ngồi trục có mâm cặp thứ hai để kẹp chi tiết
gia công. Trục này có cùng tốc độ với trục chính và trục có thể tịnh tiến theo trục Z

12


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Hình 1.13. Ụ chống tâm thủy lực.
Thân máy: Để đỡ tồn bộ các bộ phận khác lên trên nó.Thân máy có kết cấu và hệ thống
truyền động kép hai phía. Do thân máy có độ cân bằng tốt, phản hồi truyền động chính xác
và cắt rất êm ở mọi thời điểm.
f. Bảng điều khiển.
Là nơi thực hiện sự giao diện (thao tác) giữa người với máy.
Bảng điều khiển máy gồm có hai phần:
+ Bảng điều khiển màn hình (CRT).
+ Bảng điều khiển máy.

Hình 1.14. Bảng điều khiển.
13


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

1.2.2. Nguyên lý làm việc của máy tiện CNC.
Để thực hiện nhiệm vụ gia cơng thì cũng như các máy cắt kim loại khác thì máy tiện cũng
sử dụng hai chuyển động cát chính là chuyển động cắt chính là chuyển động chạy dao và
chuyển động cắt, ở đây thì chuyển động cắt chính là chuyển động của chi tiết quay quanh
trục. Chuyển động cắt chính của máy tiện được thể hiện bằng vận tốc cắt và lượng chạy
dao.
1.2.3. Vận hành máy tiện CNC.
Quy trình cơng nghệ: Thứ tự cơng việc được xây dựng thành văn bản công nghệ.
Điều kiện cắt gọt: Kiểm tra các dao được sử dụng trong mỗi điều kiện cắt gọt.
Cố định dao: Kiểm tra thứ tự các dao, cố định dao.
Các công việc chuẩn bị: Chương trình phải được chuẩn bị trước, kiểm tra kỹ lưỡng trước
khi nạp vào máy, khi nạp xong chương trình vào máy cho chạy mô phỏng, kiểm tra và sửa
lỗi chương trình. Chuẩn bị dao và các cơng việc khác...
+ Chương trình gia cơng được ghi nhớ vào bộ nhớ NC
+ Dao được gá trên đầu dao và được gá theo thứ tự, nếu mũi dao bị hỏng thì sẽ làm sai đi
lượng bù dao mà ta đã nạp vào máy. Trong khi mũi dao có bán kính R, đây là lượng bù dao
mà khi tính tốn lập trình chúng ta phải bù.
+ Gá phôi: Hầu hết các phôi đều được gá bằng mâm cặp 3 chấu thuỷ lực
+ Định điểm bắt đầu của dao: Xác định điểm bắt đầu của dao, để so với điểm gốc của máy.
Điểm bắt đầu của dao được tính từ điểm gốc của phơi đã được lập trong chương trình.
+ Kiểm tra chương trình: Nội dung chương trình và tất cả các cơng việc chuẩn bị được kiểm

tra trước khi chạy chương trình. Nếu có sai sót gì xẩy ra thì chương trình cần được sửa,
hoặc các công việc khác cần phải được chuẩn bị lại. Có các phương pháp kiểm tra chương
trình như khố máy để chạy chương trình, chạy khơng, chạy mơ phỏng và được minh hoạ
bằng đồ thị.
+ Cắt thử: Cắt thử là cơng việc kiểm tra chương trình và điều kiện cắt gọt, trong khi cắt gọt
thực tế trên chi tiết. Riêng điều kiện cắt gọt được sử dụng trong chương trình phải được sử
dụng phù hợp kiểm tra kỹ lưỡng, độ chính xác của máy được duy trì và kiểm tra trên phôi
sau khi cắt gọt.
+ Vận hành tự động máy: Chi tiết gia cơng được hồn thiện trên máy bằng việc tự động
chạy chương trình. Chỉ khi tất cả mọi công việc được mô tả ở trên được sửa chữa, hồn
thiện thì mới cho máy cắt gọt tự động.
Sau khi đã hồn tất các cơng việc như chuẩn bị chương trình, gá phơi, gá dao, định điểm
gốc khơng của phơi, kiểm tra chương trình bằng việc chạy mơ phỏng, chạy khơng cắt gọt,
sau đó cho chạy tự động chương trình.

14


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc động cơ điện một chiều.
a. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động.
- Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó
gồm có:
+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam
châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích thích hay

cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc
nối tiếp với nhau.
+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngồi lõi sắt cực từ.
+) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường
làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn
cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường
dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn
cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy cịn có tác dụng làm
giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than bao gồm có
chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố
định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh
vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
- Phần quay hay rơto: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ
thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định. Mỗi bối
dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến
góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay
vành góp.
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm
phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên.
15

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng
điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica
dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn
b. Ngun lý làm việc của động cơ điện một chiều.
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dịng
điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác định
bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ
cho nhau. Do có phiếu góp chiều dịng điện dữ ngun làm cho chiều lực từ tác dụng không
thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của
suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược
chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phương trình: U =
Eư + Rư.Iư
2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

Hình 2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn một chiều có cơng suất
khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập
nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Trong đó:
Uư: Điện áp phần ứng, V
Eư: Sức điện động phần ứng, V
16

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Rư: Điện trở mạch phần ứng,
Iư: Dòng điện của mạch phần ứng, A
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
rư: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Trong đó:
P: Số đơi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Ф: Từ thơng kích từ dưới một cực từ
ω: Tốc độ góc (rad/s)
Từ (1) và (2) ta có:
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện
từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M
Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Ф = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện
và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2 là
những đường thẳng.

17

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hình 2.2. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Khi ω = 0 ta có:

Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch.
Ngồi ra phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng:

Trong đó:

được gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3
tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thơng động cơ Ф, điện áp phần ứng Uư, điện trở
phần ứng động cơ.
2.3. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều.
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

18


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

a. Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng.
Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Nguyên lý
điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm, Ф = Фđm và nối thêm điện trở
phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng
mềm hơn.
Tốc độ khơng tải lí tưởng:

Hình 2.3. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ.
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có
độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
b. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Nguyên lí điều khiển: Khi giữ từ thông không đổi Ф = Фđm và không nối thêm điện trở phụ
trong mạch phần ứng ( Rf = 0, Rư = const ), nếu làm thay đổi điện áp đặt vào phần ứng
( Uư = var ) ta sẽ được đặc tính cơ khi thay đổi điện áp là những đường song song.
Độ cứng cửa đặc tính cơ:
Tốc độ khơng tải lí tưởng:

19


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Vì từ thơng của động cơ được giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khơng đổi, cịn
tốc độ khơng tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do
đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều

khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.

Hình 2.4. Đặc tính cơ của động cơ khi từ thay đổi phần ứng.
Khi điện áp Uư giảm, dòng khởi động Inm mà mơ men mở máy Mnm giảm và khi đó tốc
độ của động cơ giảm ứng với một phụ tải nhất định. Đây là phương pháp hạn chế Inm và
thay đổi tốc độ động cơ.
c. Phương pháp thay đổi từ thơng Ф.
Ngun lí điều khiển: Giả thiết U = Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta
thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Độ cứng cửa đặc tính cơ:
Tốc độ khơng tải lí tưởng:
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( Ф = Фmax) mà
phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh
theo hướng giảm từ thông. Nên khi giảm Ф thì tốc độ khơng tải lý tưởng ω0 tăng, cịn độ
cứng đặc tính cơ β giảm, ta thu được đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.

20


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Hình 2.5. Đặc tính cơ của động cơ khi từ thay đổi từ thông Ф.
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thơng thì dịng điện tăng và tăng vượt quá mức
giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dịng điện khơng vượt quá giá
trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thơng thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ.

21

Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

2.5. Giới thiệu động cơ bước.

2.5.1. Vai trò của động cơ bước.
Động cơ bước có vai trị rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, tự động
hóa,… vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với những lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp
hành chính xác. Ta cớ thể điều khiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị
trí nào đó ta muốn. Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số
Một số ứng dụng như : máy CNC, máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot, …
Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao, chuyển động êm cho
thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng.
2.5.2. Cấu tạo của động cơ bước.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các
động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ không đồng bộ dùng để biến
đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển
động góc quay hoặc các chuyển động của rơto có khả năng cố định rơto vào các vị trí cần
thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một
chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc cơng suất nhỏ.
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung chuyển mạch
Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các năm châm vĩnh cửu hoăc trong trường
hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính, cho
phép chúng quaykhá nhanh và với một mộ điều khiển thích hợp cho phép chúng khởi động
và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào ta muốn một cách dễ dàng.

Hình 2.6. Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giản những hệ thống này đảm
bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc
điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vịng kín với động cơ bước một
chiều khơng tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
2.5.3. Hoạt động.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thơng thường, chúng quay theo từng bước nên có độ
chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử
đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.

22


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

Tổng số góc quay của rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc
độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
2.6. Giới thiệu về thyristor.
Thyristor là linh kiện gồm bốn lớp bán dẫn là P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên ba cực: anot
A, catot K, và cực điều khiển G (Gate). Tại ba vị trí tiếp xúc nhau của các lớp P1-N1-P2N2 tạo ra các lớp tiếp giáp J1, J2, J3.Về lý thuyết có 2 loại thyristor:
Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anot.

Hình 2.7. Ký hiệu và cấu trúc thyiristor.
Thyiristor kiểu P hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần catot.
Hoạt động của thyristor:
+ Thyristor khoá nếu UAK < 0 và sẽ vẫn khoá nếu ta cho UAK > 0.
+ Thyristor chuyển trạng thái tư khoá sang dẫn nếu đồng thời đảm bảo hai điều kiện U AK >
0 và có dịng điều khiển I G đủ mạnh (về công suất và thời gian). Khi thyristor đã dẫn nếu

ngắt dòng điều khiển đi ( cho I G = 0 ) nó sẽ vẫn dẫn chùng nào dòng điện qua van còn lớn
hơn một giá trị gọi là dịng điện duy trì. Trong thực tế người ta thường sử dụng thyristor
kiểu N nhiều hơn. Còn về mặt cấu trúc thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể
loại N có điện trở suất rất cao. Trên lớp đêm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây
nhôm. Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi của gali . Lớp tiếp xúc giữa anot
và catot làm bằng đĩa mơlipdem, tungsten có điểm nóng chảy gần bằng silic. Cấu tạo dạng
đĩa để dễ tản nhiệt.

23


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

2.7. Hệ truyền động T – Đ trong động cơ một chiều.
2.7.1. Khái quát chung.
Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở, còn khóa theo điện
áp lưới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động
F – Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều. Giữ nguyên
chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ.
2.7.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc.

Hình 2.8. Sơ đồ hệ truyền động T – Đ.
α1 <

π
2

,α 2 >

π

Ed1 ≥ Ed 2

2

Giả thiết
sao cho
thì dịng chỉ có thể chạy từ BĐ1 sang
động cơ mà khơng thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được. Để đạt được trạng thái này cần có góc
điều khiển phải thoả mãn điều khiển.
Nếu tính đến góc chuyển mạch µ và góc khố δ thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của
bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là:
αmax =π - (µmax +δ)
Ed1 ≥ Ed 2

Nếu chọn

thì: α1 +α2 =π

Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dịng điện trung bình chảy vịng qua hai bộ
biến đổi là.

I cb =

Ed1 + Ed 2
=0
Rcb

24


Đồ án truyền động điện 2

Hệ thống điều khiển máy tiện

25