nghiên cứu khái quát về điều khiển máy tiện, thiết kế chương trình điều khiển truyền động chính hệ truyền động F- Đ

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN
1.1. Đặc điểm công nghệ máy tiện
1.2. Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện
1.2.1. Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện
1.2.2. Phụ tải của cơ cấu truyền động chính
1.2.3. Phụ tải của cơ cấu chuyển động ăn dao
1.3. Những yêu cầu và đặc điểm chung đối với truyền động điện máy tiện.
1.3.1. Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động chính
1.3.2. Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động ăn dao
Chương 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
CHÍNH MÁY TIỆN
2.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống
2.1.1. Xây dựng cấu trúc hệ truyền động F – Đ
2.1.2. Mô tả đối tượng điều khiển trên miền thời gian
2.1.3. Mô hình hóa hệ F - Đ
2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động
2.2.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện
2.2.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MATLAB –
SIMULINK
3.1. Tính toán các thông số của bộ điều khiển
3.2. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh trên Simulink
3.3. Khảo sát ổn định hệ thống và xác định tham số bộ điều khiển trên miền D
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN
1.1. Đặc điểm công nghệ máy tiện
Hình 1.1 – Hình dạng bên ngoài máy tiện
Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy tiện

vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt, máy tiện đứng v.v… Trên máy tiện có thể
thực hiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện
mặt đầu, tiện côn, tiện định hình. Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan
và tiện ren bằng các dao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia công trên máy
tiện có thể từ cỡ vài mili mét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng).
?
5
Fx
Fz
Fy
1
2
3
4
2
a)
b)
1
t
Hình 1.2 – Dạng bên ngoài (a) và dạng gia công (b) trên máy tiện
Dạng bên ngoài của máy tiện như hình 1.2a. Trên than máy 1 đặt ụ trước
2, trong đó có trục chính quay chi tiết. Trên gờ trượt đặt bàn dao 3 và ụ sau 4.
Bàn dao thực hiện sự di chuyển dao cắt dọc và cắt ngàn so với chi tiết. Ở ụ sao
đặt mũi chống tâm dùng để giữ chặt chi tiết dài trong quá trình gia công hoặc để
gá mũi khoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết. Sơ đồ gia công tiện ở hình 1.2b. Ở
máy tiện: chuyển động quay chi tiết với tốc độ góc ω
ct
là chuyển động chính,
chuyển động di chuyển của dao 2 là chuyển động ăn dao. Chuyển động ăn dao có
thể là ăn dao dọc, nếu dao di chuyển dọc theo chi tiết (tiện dọc) hoặc ăn dao

ngang (hướng kính) chi tiết (tiện ngang). Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà,
trụ, di chuyển nhanh của dao, bơn nước, hút phoi v.v…
1.2. Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện.
1.2.1. Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện.
a. Chiều sâu cắt, t.
Là chiều dày lớp kim loại được bóc đi sau một lần chạy dọc theo phương
vuông góc với bề mặt gia công.
d
D
t
a)
b)
c)
d)
d
D
t
t t
Hình 1.3 – Chiều sâu cắt khi tiện
 Khi tiện mặt trụ ngoài hình (1.3a), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa
đường kính của phôi D với đường kính đã gia công d, nghĩa là:
Trong đó:
+ D – đường kính phôi, [mm];
+ d – đường khính mặt đã gia công, [mm];
 Khi tiện lỗ (hình 1.3b), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa đường kính đã
gia công và đường lỗ trước khi gia công.
 Khi xén mặt đầu (hình 1.3c), chiều sâu cắt t bằng chiều dày được bóc đi
sau một lần chạy dao đo theo phương vuông góc với mặt đầu của chi tiết
gia công.
 Khi cắt đứt (hình 1.3d), chiều sâu cắt t bằng chiều rống rãnh cắt do dao tạo

thành.
b. Bước tiến S (lượng chạy dao)
Là độ dịch chuyển của lưỡi cắt sau một vòng quay của vật vật gia công.
Bước tiến S được đo bằng mm (hình 1.4). Người ta chia ra thành ba loại bước
tiến:
- Bước tiến dọc: có hướng tiến dọc theo đường tâm của chi tiết gia công.
- Bước tiến ngang: có hướng vuông góc với đường tâm của chi tiết gia
công.
- Bước tiến xiên: có hướng xiên so với đường tâm của chi tiết gia công với
một góc bất kỳ (khi gia công mặt côn).
S (mm/vg)
Phôi
Hình 1.4 – Lượng ăn dao khi tiện
c. Tốc độ cắt
Là tốc độ chuyển động dài tương đối của chi tiết so với dao cắt tại điểm tiếp
xúc giữa chi tiết và dao. Nó được xác định theo chi tiết kinh nghiêm:
Trong đó:
+ t – chiều sâu cắt, mm;
+ s – lượng ăn dao: là lượng dịch chuyển của dao khi chi tiết quay
được một vòng, mm/vg;
+ T – là tuổi thọ (độ bền) của dao: là thời gian làm việc của dao giữa
hai lần mài dao kế tiếp, ph;
+ C
V
, x
V
, y
V
, m – là hệ số và số mũ phụ thuộc vào vật liệu chi tiết, vật
liệu dao và phương pháp gia công.

Một vài ví dụ về cá giá trị của các hệ số và số mũ: khi gia công gang và thép
bằng dao hợp kim C
V
=40 – 260; dao cắt bằng thép gió C
V
=18 – 24. Đối với gia
công thô t=3 – 30mm, s=0,4 – 2mm/vg; gia công tinh t=0,1 – 2mm; s=0,1 –
0,4mm/vg; T=60 – 180ph. Các số mũ x
V
, y
V
, m thường lấy các giá trị
x
V
=0,15÷0,2 ; y
V
=0,35÷0,8 ; m=0,1÷0,2.
Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình
gia công phải luôn đạt tốc độ tối ưu, nó được xác định bời các thông số: độ sâu
cắt t, lượng ăn dao S và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác định.
Khi tiện ngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công đường kính
chi tiết giảm để duy trì tốc độ cắt (m/s) tối ưu là hằng số thì phải tăng liên tục tốc
độ góc của chục chính theo quan hệ:
Trong đó:
+ D
ct
– đường kính chi tiết, mm.
+ ω
ct
– tốc độ góc của chi tiết, rad/s.

d. Lực cắt
Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết và dao có một lực tac
dụng F, lực này được chia làm 3 thành phần:
1
3
2
4
Fx
Fz
Fy
Hình 1.5 – Các thành phần đặc trưng cho gia công tiện
+ Lực tiếp tuyến F
z
(lực cắt): chống lại sự quay của chi tiết.
+ Lực dọc trục F
x
(lực ăn dao): chống lại sự di chuyển của bàn dao.
+ Lực hướng kính F
y
: chống lại sự tì của dao và chi tiết.
Để tính lực cắt ta sử dụng công thức kinh nghiệm sau:
Trong đó:C
F
, x
F
, y
F
, n – hệ số và các số mũ phụ thuộc vào vật lieu chi tiết, vật
liệu dao và các phương pháp gia công.
Các lực F

x
, F
y
cũng được xác định theo các công thưc tương tự như công
thức(1–4). Khi tính toán sơ bộ có thể lấy F
x
, F
y
theo tỷ lệ sau:
F
z
: F
y
: F
x
= 1 : 0,4 : 0,25
Khi gia công thép bằng dao hợp kim cứng C
F
= 300 ; dao bằng thép gió C
F
=
208. Gia công gang xám tương ứng C
F
= 92 và C
F
= 118 ; x
F
= 1 ; y
F
= 0,75 ; n =

0 với dao bằng thép gió và n = -0,15 với dao bằng hợp kim cứng.
e. Công suất cắt
Là công suất yêu cầu của cơ cấu chuyển động chính. Quá trình tiện xảy ra với
công suất cắt(kW) là hằng số và được xác định:
Bởi vì lực cắt lớn nhất F
max
sinh ra khi lượng ăn dao và độ sâu cắt lớn, tương
ứng với tốc độ cắt nhỏ V
z min
; còn lực cắt nhỏ F
min
xác định bởi t, s tương ứng với
tốc độ cắt V
z max
nghĩa là tương ứng với hệ thức:
F
max
.V
z min
= F
min
. V
z max
(1 – 7)
Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ cắt như hình 1.4:
Hình 1.6 – Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện
f.Thời gian máy
Thời gian máy là thời gian dùng để gia công chi tiết. Nó còn được goi là thời
gian công nghệ, thời gian cơ bản hoặc thời gina hữu ích. Để tính toán thời gian
máy ta phải căn cứ vào các yếu tố của chế độ cắt gọt, phương pháp gia công:

Trong đó:
+ L: chiều dài hành trình làm việc [mm].
+ n: tốc độ quay của chi tiết [vg/ph].
Nếu thay vào (1 – 7) giá trị :
F
z
V
O
Ta được:
Trong đó: d – đường kính chi tiết gia công [mm]
Từ (1 – 8) ta thấy muốn tăng năng suất máy (giảm t), phải tăng tốc độ cắt và
lượng ăn dao. Do đó người ta áp dụng phương pháp cắt cao tốc.
1.2.2. Phụ tải của cơ cấu chuyển động chính
Trong chuyển động chính của máy tiện, lực cắt là lực hữu ích của máy, nó
phụ thuộc vào các chế độ cắt (t, s, v), vật liệu chi tiết và dao.
Chuyển động chính máy tiện là chuyển động quay được xác định theo công
thức:
Trong đó:
+ F
z
– lực cắt, [N].
+ d – đường kính của chi tiết gia công (phôi), [m].
Momen hữu ích trên trục động cơ là:
i – tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục chính của máy.
Momen cản tĩnh trên trục động cơ:
η – hiệu suất bộ truyền từ trục động cơ đến trục chính.
Với máy tiện đứng do có chuyển động ở bàn máy nên còn xuất hiện một lực ma
sát phụ ở gờ trược của mâm cặp:
Trong đó: F
N

– lực tổng tác dụng lên gờ trượt, được xác định bởi khối lượng
mâm cặp hoặc bàn m
b
, khối lượng chi tiết m
ct
đặt trên mâm cặp, thành phần lực
cắt F
y
.
Hệ số ma sát μ ở gờ trượt phụ thuộc vào tốc độ mâm cặp, nó có giá trị lớn
khi khởi động máy. Vì vậy ở những máy này, momen cản tĩnh khi khởi động đạt
tới (60 ÷ 80)% momen định mức. Ở tốc độ định mức thì μ = 0,05 ÷ 0,08 và là
hằng số.
Ở chế độ xác lập, lực kéo của các chuyển động mâm cặp được xác định là
các tổng các lực cắt và lực ma sát:
Momen trên trục động cơ ứng cới chuyển động quay là:
1.2.3. Phụ tải của truyền động ăn dao
Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức tổng quát:
Trong đó:
+ F
x
– thành phần lực cắt theo hương di chuyển của bàn dao;
+ k=1,2 ÷1,5 – hệ số dự trữ;
+ F
ms
– lực ma sat của bàn ở hướng gờ trượt;
+ F
d
– lực dính;
 Lực ma sát của bàn theo hướng gờ trượt được xác định bởi công thức:

μ – hệ số ma sát của bàn theo hướng gờ trượt.
 Lực dính sinh ra khi khởi động bàn dao:
S – diện tích bề mặt tiếp xúc ở gờ trượt của bàn dao, [cm
2
];
β – áp suất dính thường bằng 0,5N/cm
2
;
Các thành phần lực ở (1 – 17) không đồng thời xuất hiện trong quá trình làm
việc nên khi xác định phụ tải truyền động ăn dao phân ra làm hai chế độ làm
việc: làm việc và ăn dao khởi động.
 Khi khởi động lực ăn dao xác định bởi hai lực ma sát do khối lượng của bộ
phận di chuyển và lực dính:
Với μ
0
= 0,2 ÷ 0,3 – hệ số ma sát khi khởi động.
 Khi cơ cấu ăn dao làm việc, lực ăn dao được tính:
Với μ = 0,05 ÷ 0,15 – hệ số ma sát khi làm việc.
Công suất ăn dao của máy tiện được xác đinh bởi công thức:
+ F
ad
– lực ăn dao, [N];
+ V
ad
– tốc độ ăn dao, [m/s];
Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần, vì tốc độ ăn dao được
xác định bởi lượng ăn dao và tốc độ góc của chi tiết:
Nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần.
Ở đây: s
’

= s/2π , [mm/rad]
+ω
ct
– tốc độ góc của chi tiết, [rad/s];
+s – lượng ăn dao, [mm/vg];
Lực và momen chuyển động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ của nó, vì
phụ tải của truyền động ăn dao chỉ được xác đinh bởi khối lượng bộ phận di
chuyển của máy và lực ma sát ở gờ trượt và ở hộp tốc độ. Đồ thị phụ tải của
truyền động ăn dao được biểu diễn như trên hình (1.6) . Ở dải tốc độ rộng V
1
< V
<V
2
momen phụ tải là hằng số, ở vùng tốc độ V < V
1
và V > V
2
thì momen phụ
tải thay đổi tuyến tính theo tốc độ.
Hình 1.7 – Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao
1.3. Những yêu cầu và đặc điểm chung đối với truyền động điện máy tiện
1.3.1. Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động chính
Truyền động chính cần phải được đảo chiều quay để đảm bảo quay chi tiết
theo cả hai chiều, ví dụ khi tiên ren trái và phải – Phạm vi điều chỉnh tốc độ trục
chính D <(40 ÷ 125)/1 với độ trơn điều chỉnh φ = 1,06 và 1,26 và công suất là
hằng số (P
c
= const).
M
c

V
1
V
2
V
3
V
ad
0
Ở chế độ xác lập, hên thống chuyển động điện cần đảm bảo độ cứng đặc tính
cơ trong pham vi điều chỉnh tốc độ với sai số tĩnh nhỏ hơn 10% khi phụ tải thay
đổi từ 0 đến định mức. Quá trình khởi động và hãm yêu cầu phải trơn, tránh va
đập trong bộ truyền. Đối với máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng dùng gia công
chi tiết có đường kính lớn, để đảm bảo tốc độ cắt tối ưu và không đổi (V
z
=const)
khi đường kính chi tiết thay đổi thì pham vi điều chỉnh tốc độ được xác định bởi
pham vi thay đổi tốc độ dài và pham vi thay đổi đường kính:
Ở những máy tiện cỡ nhỏ và trung bình, hệ thống truyền động chính thường
là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và hộp tốc độ có vài cấp tốc độ. Ở các
máy tiên cỡ nặng, máy tiện đứng hệ thống truyền động chính điều chỉnh hai
vùng, sử dụng hệ thống bộ biến đổi động cơ điện một chiều (BBĐ – Đ) và hộp
tốc độ: Khi V
z
< V
z gh
thì M
c
= const; khi V
z

> V
z gh
P
c
= const (đồ thị hình 1.5).
Bộ biến đổi có thể là máy phát một chiều hoặc bộ chỉnh lưu dùng Thyristor.
Hình 1.7 – Biểu đồ Momen và công suất của động cơ trong truyền động chính
1.3.2. Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động ăn dao
Truyền động ăn dao cần phải được đảo chiều quay để đảm bảo ăn dao theo
hai chiều. Đảo chiều của bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiều động cơ điện
hoặc dùng khớp ly hợp điện từ. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn
O
V
z min
V
z
V
z max
V
z gh
M
c
P
c
P
c
, M
c
dao thường là D = (50 ÷ 300)/1 với độ trơn điều chỉnh φ = 1,06 và 1,26 và
Momen không đổi (M = const).

Ở chế độ làm việc xác lập, độ sai lệch tĩnh yêu cầu nhỏ hơn 5% khi phụ tải
thay đổi từ không đến định mức. Động cơ cần khởi động và Momen hãm êm.
Tốc độ di chuyển bàn dao của máy tiện cỡ nặng hoặc máy tiện đứng cần liên hệ
với tốc độ quay chi tiết để đảm bảo giữ nguyên lượng ăn dao.
Ở máy tiện cỡ nhỏ thường truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơ
truyền động chính, còn ở máy tiện nặng thì truyền động ăn dao được thực hiện từ
một động cơ riêng là động cơ một chiều cấp điện từ khuếch đại máy điện hoặc bộ
chỉnh lưu có điều khiển.
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN
2.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống
2.1.1. Xây dựng cấu trúc hệ truyền động F – Đ
Máy tiện năng 1A660 đươc dùng để gia công chi tiết bằng gang hoặc
thép có trọng lượng 250N, đường kính chi tiết lớn nhất có thể gia công trên
máy là 1,25m. Động cơ truyền động chính có công suất 55kW. Tốc độ trục
chính được điều chỉnh trong phạm vi 125/1 với công suất không đổi, trong
đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ là 5/1 nhờ thay đổi từ thông động cơ.
Tốc độ trục chính ứng với 3 cấp của hộp tốc độ có giá trị như sau:
cấp 1: ntc = 1,6 ÷ 8 vòng / phút
cấp 2: ntc = 8 ÷ 40 vòng/ phút
cấp 3: ntc = 40 ÷ 200 vòng/ phút
Truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơ truyền động chính. Lượng
ăn dao được điều chỉnh trong phạm vi 0,064 ÷ 26,08 mm/vg Truyền động chính
được thực hiện từ hệ thống F-Đ. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi
dòng điện kích từ của động cơ, còn sức điện động của máy phát giữ không đổi.
a/ Mạch động lực Động cơ Đ quay truyền động chính được cấp điện từ máy
phát F. Động cơ sơ cấp quay máy phát F không thể hiện trên sơ đồ. Kích từ
của động cơ Đ là cuộn CKĐ(2). Kích từ của máy phát là cuộn CKF(9).Để
động cơ Đ làm việc được cần ĐG(đl) = 1, nối điện áp máy phát với động cơ đồng
thời K

2
(đl) = 0, để giải phóng mạch hãm động năng. Cuộn kích từ CKĐ(2) được
cấp đủ điện để đảm bảo từ thông Ф
Đ
và cuộn kích từ máy phát CKF(9) có điện để
tạo từ thông Ф
F
làm cho máy phát F tạo ra điện áp U
F
.
Rơle RC(đl) bảo vệ quá dòng có tiếp điểm là RC(27). Khi dòng điện qua
động cơ
lớn hơn giá trị cho phép, RC(đl) = 1, → RC(9) = 0, → cắt điện
mạch điều khiển
( dòng 27). Rơle RH(đl) và RCB(đl) có giá trị tác động khác nhau. Giá trị tác động
của RCB bằng giá trị định mức của điện áp máy phát; còn giá trị tác động của RH
bằng 10% giá trị định mức của điện áp máy phát.
Hình 2.1. Sơ đồ chính máy tiện hệ F – Đ (1660).
RG1 và RD1 là hai cuộn dòng của rợle RG và RD. Hai cuộn áp tương
ứng là RG2(9) và RD2(8). Hai cuộn dòng và áp nối ngược cực tính nhau.
Bình thường khi cuộn áp có điện sẽ làm cho tiếp điểm của rơle tương ứng
đóng lại. Nều dòng điện trong động cơ lớn hơn giá trị cho phép thì cuộn
dòng sẽ tạo ra lực đẩy lớn hơn lực hút của cuộn áp làm cho tiếp điểm của nó
mở ra. Cụ thể khi: RG(9) = 1, → RG(8) = 1; nếu I
Đ
> I
cf1
→ F
đẩy RG1
> F

hútRG2
→ RG(8)
= 0; RD(8) = 1, → RD(4) = 1, nếu I
Đ
> I
cf2
→ Fđẩy
RD
>F
hút

RD2
→ RD(4) = 0, b/ Mạch
kích từ động cơ
Cuộn CKĐ(2) là cuộn kích từ của động cơ Đ được cấp từ nguồn một
chiều
cùng nguồn với cuộn CKF(9) và là nguồn cấp cho mạch khống chế. Biến trở
ĐKT(2) nối tiếp với cuộn CKĐ để thay đổi dòng điện chạy qua nó, làm thay đổi từ
thông Ф
Đ
để thay đổi tốc độ động cơ trên tốc độ cơ bản. Khi RKT(2) và Rđ(2) bị
nối tắt thì dòng CKĐ bằng định mức. Rơle dòng RT(2) có giá trị tác động bằng dòng
định mức của CKĐ. Rơle dòng RTT(2) là rơle bảo vệ thiếu từ thông Ф
Đ
. Giá trị
tác động của nó nhỏ thua dòng CKĐ nhỏ nhất để tạo ra tốc độ lớn nhất của động cơ.
c/Mạch kích từ máy phát
Cuộn CKF(9) là cuộn kích từ máy phát được cấp điện bởi cầu tiếp điểm
T,N(6) và N,T(10). Khi T(6) = 1, và T(10) = 1, tương ứng với chiều quay
thuận của động cơ. Khi N(6) = 1, và N(10) = 1, tương ứng với chiều quay ngược

của động cơ. Điện trở Rf nối tiếp với cuộn CKF(9) nhằm giảm dòng
qua nó, kết quả điện áp của máy phát giảm nhằm làm giảm dòng trong động
cơ.
d/Các điều kiện làm việc của máy
1. Phải đủ dòng kích từ cho động cơ → RTT(1) = 1,
2. Phải đủ dòng bôi trơn → DBT(36) = 1, → K4(36) = 1, → K4(29) = 1,
3. Các bánh răng đã ăn khớp: 1KBR(39) =1, 2KBR(39) = 1,
3KBR(39) = 1,
4KBR(39) = 1, → 4RLĐ(39) = 1, → 4RLĐ(29) = 1,
4. Trị số tốc độ đã được chọn → TĐ(29) = 1,
5. Chiều quay đã được chọn: chọn động cơ quay thuận → CTC1(37) = 1,
1RLĐ(37) = 1, → 1RLĐ(17) = 1 và 1RLĐ(19) = 1; chọn quay ngược →
CTC2(38) = 1, 2RLĐ(38) = 1, 2RLĐ(18) = 1 và 2RLĐ(20) = 1,
e/ Khởi động (khởi động thuận)
Các điều kiện làm việc đã đủ. Chiều quay đã được chọn.
Ấn nút M1(22) → LĐT(22) = 1, → LĐT(17) = 1, + LĐT(22,23) = 1, +
LĐT(29) = 1, → K1(29) = 1, K1(30) = 1, + K1(34) = 1, + K1(17) = 1, →
T(17) = 1, → T(16) = 1, + T(20) = 0, + T((30) = 1, → ĐG(31) = 1, →
ĐG(32) = 1, → K2(32) = 1, → K2(30) = 1, nối với K1(30) tạo ra mạch duy
trì cho K1(29). Kết quả khi ấn nút M1, các phần tử sau đây có điện: K1, T,
ĐG và K2.
Trên mạch động lực, ĐG(đl) = 1, nối F với Đ; K2(đl) = 1, giải phóng
mạch hãm động năng. K2(1) = 1, → Rđ(2) bị nối tắt; ĐG(3) = 1, → ĐKT(2) bị
nối tắt; → I
CKĐ
= đm → Ф
Đ
= đm. K2(8) = 1, + T(6) = 1, + T(10) = 1, → RG2(9)
= 1, → RG(8) = 1, → Rf bị nối tắt nên I
CKF

= đm → U
F
nhanh chóng tăng đến giá
trị định mức. Động cơ khởi động cưỡng bức làm cho tốc độ tăng nhanh nhưng
dòng điện có thể vượt quá giá trị cho phép. Nếu I
Đ
>I
cf1
→ F
đRG1
>F
hRG2
→ RG(8)= 0,
Rf+CKF → I
CKF
↓ → U
F
↓ → I
Đ
↓ Khi I
Đ
<I
cf1
→ F
đRG1
<F
hRG2
→ RG(8)= 1, Rf = 0,
→ I
CKF

↑ → U
F
↑ → I
Đ
↑. Nếu I
Đ
vẫn còn lớn hơn giá trị cho phép thì quá trình trên
được lặp lại nghĩa là dòng điện trong động cơ không thể vượt qua giá trị cho
phép và được gọi là hạn chế dòng theo nguyên tắc rung.
Mặc dầu có sự thay đổi dòng điện trong động cơ nhưng tốc độ động cơ vẫn
cứ tăng do quán tính. Khi tốc độ tăng thì dòng điện trong động cơ giảm dần; đến
lúc I
Đ
<I
cf1
thì quá trình rung chấm dứt.
Khi điện áp máy phát đạt giá trị định mức (ổn định) thì rơle RCB(đl) = 1,
→ RCB(34) = 1, → K3(34) = 1, → K3(20) = 1, + K3(3) = 0, ĐKT + CKĐ →
I
CKĐ
↓ → Ф
Đ
↓ → ω
Đ
↑ . Dịch ĐKT qua phải, động cơ tăng tốc; dịch ĐKT qua
trái, động cơ giảm tốc.
Khởi động ngược bằng cách ấn M2 sẽ tương tự
f/ Hãm máy khi động cơ đang quay thuận
Các phần tử K1, T, ĐG, K2, K3, RCB, RH có điện khi động cơ đang quay
thuận. Muốn dừng, ấn nút dừng D(27) → K1(29) = 0, K1(34) = 0, nhưng K3(34)

= 1, do RT(35) = 1, và K1(17) = 0, nhưng T(17) = 1, do K3(20) = 1; K1(8) = 1,
→ RD2 = 1, → RD(4) = 1, + K1(4) = 1, nên ĐKT(2) bị nối tắt → I
CKĐ
tăng về
giá trị định mức → động cơ hãm tái sinh giảm tốc về giá trị cơ bản. Trong quá
trình hãm này, nếu I
Đ
< I
cf2
thì rơle RD thực hiện việc hạn chế dòng theo nguyên
tắc rung tương tự như RG.
Khi dòng điện trong cuộn kích từ I
CKĐ
= đm thì rơle RT(2) = 1, → RT(35) = 0, →
K3(34) = 0, → K3(20) = 0, → T(17) = 0, → T(6) = 0, + T(10) = 0, → I
CKF
= 0,
→U
F
giảm về U
dư
→ động cơ hãm tái sinh giảm tốc.
Khi U
F
≤ U
dư
→ RH(đl) = 0, → RH(29) = 0, + T(30) = 0, → ĐG(31) = 0, →
ĐG(32) = 0, + RH(33) = 0, → K2(32) = 0. Trên mạch động lực ĐG(đl) = 0,
K2(đl) = 1, → động cơ hãm tái sinh giảm tốc về không.
Hãm máy khi động cơ đang quay ngược tương tự.

g/ Thử máy
Các điều kiện làm việc đã đủ, chiều quay đã được chọn; giả sử chọn chiều quay
thuận. Ấn TT(18) hoặc TN(19) → T(17) = 1, → T(30) = 1, ĐG(31) = 1, →
ĐG(32) = 1, → K2(32) = 1. Kết quả ta có T, ĐG, K2 có điện.
Việc khởi động diễn ra tương tự như đã mô tả như khi ấn nút M1 nhưng không
có duy trì (do không có K1). Dòng I
CKĐ
= đm → RT(2) = 1, →
RT(35) = 1 nên K3 không thể có điện → ĐKT luôn luôn bị nối tắt → động cơ chỉ
tăng tốc đến tốc độ cơ bản.
Khi thả nút ấn, động cơ thực hiện việc hãm tái sinh do giảm điện áp máy phát và
hãm động năng.
Thử ngược tương tự.
h/ Điều khiển tốc độ từ xa
Sử dụng động cơ xec vô (servomotor) Đ1(12) để quay biến trở ĐKT(2). Muốn
tăng
tốc, ấn M1(22) hoặc M2(25) → LĐT(22) = 1, hoặc LĐN(25) = 1, →
LĐT(22,23) =1, hoặc LĐN(23,24) = 1, → KT(26) = 1, KT(11) = 1 và KT(13) =
1, → Đ1(12) =1, → quay ĐKT về phía phải để tăng tốc động cơ và 1KX(26) là
công tắc giới hạn hành trình của ĐKT ở bên phải.
Muốn giảm tốc, ấn M3(27) → KN(27) = 1, → KN(11) = 1, + KN(13) = 1,
Đ1(12) = 1, quay ĐKT(2) về phía trái làm giảm tốc động cơ và 2KX(27) là công
tắc giới hạn hành trình của ĐKT ở bên trái.
j/ Mạch tín hiệu
-Đèn ĐH1(14) sáng báo hiệu đủ dầu bôi trơn.
-Đèn ĐH2(15) sáng báo hiệu thiếu dầu bôi trơn
-Còi C(16) kêu báo hiệu thiếu dầu bôi trơn khi đang làm việc.
2.1.2. Mô tả đối tượng điều khiển trên miền thời gian
Việc mô hình hóa đối tượng điều khiển là phương pháp thiết kế mô hình
dựa trên các định luật về cân bằng chất. Trên cơ sở đó ta xây dựng được các mô

hình toán học:
- Mô tả toán ở miền thời gian
- Xây dựng mô hình toán học ở miền tần số.
- Xây dựng mô hình toán học trong không gian trạng thái.
Trong một hệ thống điều khiển, muốn thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các
yêu cầu đề ra thì ta cần phải sử dụng đến các công cụ toán học. Muốn vậy, đối
tượng cần điều khiển sẽ phải được mô tả bằng một mô hình toán học.
Mô tả quan hệ vào ra bằng các phương trình vi phân ( mô tả toán học ở miền
thời gian )
)( )(
1
1
101
1
1
10
tub
dt
ud
b
dt
ud
btya
dt
dy
a
dt
yd
a
dt

yd
a
m
m
m
m
m
nn
n
n
n
n
+++=++++
−
−
−
−
−
u(t) là tín hiệu vào của đối tượng; y(t) là tín hiệu ra của đối tượng.
Tuy nhiên, nếu sử dụng trực tiếp các phương trình vi phân để khảo sát và phân
tích hệ sau này thì gặp nhiều khó khăn. Do vậy, người ta tìm cách biến đổi các
phương trình vi phân đó về dạng đại số bình thường. Từ đó, nếu thay các đạo
hàm bằng toán tử Laplace, ta sẽ được các phương trình đại số mô tả các quan hệ
vào ra và có được các hàm truyền bằng ảnh Laplace của tín hiệu vào ra hay mô
hình không gian trạng thái.
-Mô hình hàm truyền: W(s)
n
nn
m
mm

asasa
bsbsb
sU
sY
+++
+++
==
−
−


)(
)(
1
10
1
10
- Đặc tính tần số ( thay s = jω): W(jω)
n
nn
m
mm
ajaja
bjbjb
jU
jY
+++
+++
==
−

−
).().(
).().(
)(
)(
1
10
1
10
ωω
ωω
ω
ω
2.1.3. Mô hình hóa hệ F - Đ
a. Mô hình toán máy phát điện 1 chiều
Khi nghiên cứu quá trình quá độ của máy điện có thể xét 2 trường hợp:
- Máy đang làm việc ổn định, đột ngột thay đổi tải:Khi ngắt mạch đột ngột hay
chuyển sang không tải. Sự thay đổi này không ảnh hưởng tới dòng kích từ ( bỏ
qua độ bão hòa từ) . Nếu tốc độ động cơ lai máy phát không thay đổi thì dòng
phần ứng thay đổi theo hàm mũ với hằng số thời gian quyết định bởi L/R của
mạch phần ứng. Nếu tốc độ động cơ lai máy phát thay đổi thì ta phải biết được
đặc tính tốc độ của máy lai, lúc này quá trình không còn đơn giản. nữa. Việc chú
ý tới bão hòa cũng làm phức tạp them quá trình nghiên cứu.
- Máy làm việc với hệ thống điều chỉnh: Phần ứng máy phát nối với tải không
đổi ( R
L
, L
L
) và quay với tốc độ không đổi, sự thay đổi xảy ra ở mạch kích từ. Có
thể sử dụng biểu thức (a), trong đó U

kt
là hàm cưỡng bức. Đại lượng ra là dòng
phần ứng hoặc điện áp trên các cực máy điện hay suất điện động. Ta có:
U = L
m
.i
kt
Ω
m
– (R
t
+ p.L
t
)i
mp
(a)
Phương trình mạch kích từ và mạch tải:
U
kt
= (R
kt
+ p.L
kt
).i
kt
(b)
U = (R
L
+ p.L
L

).i
mp
(c)
Từ 2 phương trình trên ta có biểu thức điện áp trên 2 cực máy phát:
U = u
kt
=
tL
tt
ktkt
mm
LpR
LpR
LpR
L
.
.
1
.
,
+
+
+
+
Ω
(d)
Nếu trong phân tích, điện áp không phải là đại lượng cơ bản và chỉ cần biết
giá trị suất điện động( như thường làm trong hệ thống điều chỉnh), có thể bỏ qua
tổng trở mạch phần ứng ( nối với điện trở tải) và lúc này: u
kt

= R
kt
.i
kt
+ L
kt
.p.i
kt
, e
= Ω
m
.L
m
.i
kt
= k.i
kt
.
Sử dụng biến đổi laplace với điều kiện đầu zero ta có:
U
kt
(p) = (R
kt
+ L
kt
.p).I
kt
(p)
E(p) = Ω
m

.L
m
.I
kt
(p)
Hàm truyền của máy phát điện một chiều kích từ độc lập có dạng:
).(
.
)(
)(
ktkt
mm
kt
LpR
L
pU
pE
+
Ω
=
Đặt T
kt
= L
kt
/R
kt
là hằng số thời gian của mạch kích từ, Z là tổng trở của
tải. Ta có u = e – i
mp
(R

t
+ p.L
t
); i
mp
= - i
t
= u/Z.
b. Mô hình toán động cơ 1 chiều
Việc xây dựng mô hình toán học cho động cơ 1 chiều kích từ độc lập với U là
điện áp đặt vào phần ứng động cơ, U
kt
là điện áp kích từ; n là tốc độ quay của
động cơ; M
c
là momen cơ học tác động lên roto.
- Đại lượng cần điều khiển là tốc độ động cơ n ( đây là thông số công nghệ).
- Tác động điều khiển ( đại lượng điều khiển): Điện áp đặt vào phần ứng U ( đây
là tác động công nghệ).
- Xét trong các điều kiện các đại lượng còn lại không đổi: U
kt
= const; M
c
=
const, R là điện trở phần ứng động cơ; K
1
, K
2
là các hệ số tỷ lệ (= const); L là
điện cảm phần ứng; J là momen quán tính của tất cả phần quay đặt lên rotor động

cơ. Đặt T
c
= J.R/(K
1
.K
2
) là hằng số thời gian điện cơ.
* Các phương trình toán :
Phương trình điện áp kích từ:
U
kt
= I
kt
. R
kt
( 2.1 )
Phương trình điện áp mạch phần ứng:
U = R
ư
.I(t) + L
ư
.
dt
tdi )(
+ E(t) ( 2.2 )
E(t) = KƯ. ω (t) ( 2.3 )
Phương trình điện mơmen:
M(t) - M
C
(t) = J

dt
(t)
ω
d
( 2.4 )
M(t) = k.Φ.i(t) ( 2.5 )
* Chuyển các phương trình trên sang dạng toán tử Laplace:
U(p) = R
ư
.I(p) + L
ư.
I(p).p + E(p) ( 2.6 )
M(p) - M
C
(p) = J(p). ω (p).p (2.7)
E (p) = KƯ. ω (p) ( 2.8 )
M(p) = k.Φ.I(p) ( 2.9 )
Ta thành lập được phương trình đặc tính cơ như sau:
ω =
M
k
RR
k
IpLU
pu
u
.
).(

2

φ
φ
+
−
−
( 2.10 )
Hàm truyền của động cơ như sau :

)(
.1
/1
)(
.
1
EU
pT
R
EU
pLR
I
U
U
UU
−
+
=−
+
=
( 2.11 )
Chuyển sang hệ tương đối như sau :

x
*
=
xb
x
( 2.12 )
trong đó : + x – là giá trị thực
+ x
b
– là giá trị cơ bản
+ x
*
- là giá trị chuyển sang đại lượng tương đối
Đối với hệ thống mô phỏng thì các đại lượng mô phỏng thường được chọn theo
trang 19->25 - [ 2 ] như sau:
U
b
= U
dm
( 2.13 )
I
b
= I
dm
( 2.14 )
R
b
=
dm
dm

b
b
I
U
I
U
=
( 2.15 )

ω
b
= ω
dm
( 2.16 )
Φ
b
= Φ
dm
( 2.17 )
M
b
= M
dm
( 2.18 )

Chia cả 2 vế ( 2-1 )

cho U
b
ta được:

U
*
=
bb
u
IR
pIR
.
)(.
+
bb
u
IR
pIpL
.
)(
+ E
*
(p) ( 2.19 )
Đặt T
u
= L
u
/R
u
là hằng số thời gian điện từ phần ứng động cơ
=>U
*
(P) = R
*

u
.I
*
(p) + T
ư
.R
*
ư
.p. I
*
(p) + E
*
(p)
=> I
*
(p) =
).1(*
)()(
**
pTR
PEpU
u
+
−


( 2.20 )
Chia cả ( 2-2 ) vế 2 cho M
b
ta được:

J.p. ω (p)/M
b
= M*(p) - M*
c
(p)
=> J.p. (ω (p)/M
b
). ω *(p) = M*(p) - M*
c
(p)
Đặt J. ω
b
/M
b
= J*
=> J*.p. ω *(p) = M*(p) - M*
c
(p)
=> ω *(p) =
PJ
*
1
.(M*(p) - M*
c
(p)) ( 2.21 )
Chia cả 2 vế ( 2-4 ) cho M
b
ta được:
M*(p) =
b

M
pIk )( Φ


M*(p) =
bb
Ik
pIk

)(
Φ
Φ
M*(p) = Φ*(p).I*(p) ( 2.22 )
Chia cả 2 vế ( 2-3 ) cho U
b
ta được:
E
*
(P) = k.Φ.
b
U
p)(
ϖ
E
*
(P) =
bb
k
pk
ϖ

ϖ

)(
Φ
Φ
E
*
(P) = ω *(p).Φ*(p) ( 2.23 ) Vậy
ta có hệ phương trình mô tả động cơ 1 chiều ở hệ tương đối như sau :
I
*
(p) =
).1(*
)()(
**
pTR
PEpU
u
+
−


( 2.24 )
c
c
C
Tp
pMI
Tp
pMcpM

p
.
)(.
.
)()(
)(
**
**
*
−
=
−
=
φ
ω
( 2.25 )
E
*
(P) = ω *(p).Φ*(p) ( 2.26)
M*(p) = Φ*(p).I*(p) ( 2.27)
Để thuận tiện khi biểu diễn các đại lượng mô phỏng ta bỏ các dấu (*) và khi đó
hệ phương trình được viết lại như sau:
I (p) =
).1(
)()(
pTR
PEpU
uu
+
−

( 2.28 )
ω *(p) =
PJ
*
1
.(M*(p) - M*
c
(p)) (2.29)
E(P) = ω (p).Φ(p) ( 2.30 )
M(p) = Φ(p).I(p) ( 2.31 )
Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như
sau:
Hình 2.2. Mô hình động cơ một chiều
Mô hình thay thế máy phát tốc:
Máy phát tốc được đặc trưng bởi hai thông số: hệ số khuyếch đại của máy
phát tốc K
ω
, hằng số thời gian của máy phát tốc T
ω
. Mô hình thay thế của máy
phát tốc là một khâu quán tính bậc nhất với hệ số khuyếch đại là K
ω
,hằng số
thời gian là T
ω
:
Hình 2.3. Mô hình toán của máy phát tốc.
Sơ đồ cấu trúc chung của toàn bộ hệ thống như sau:

Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của toàn hệ thống.
2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động
2.2.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện
Tổng hợp mạch vòng dòng điện:
Khi bỏ qua sức điện động E như sau
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện.
Trong đó :
pT
K
kt
+1
hàm truyền đối tượng máy phát điện
K
: Hệ số khuếch đại máy phát điện.
kt
T
: Hằng số thời gian mạch kích từ máy phát điện.
pT
K
i
i
+1
:Hàm truyền của cảm biến dòng điện
i
K
: hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện
i
T
: hằng số thời gian của cảm biến dòng điện