đồ án trang bị điện máy cắt khí ga oxy

LỜI NÓI DẦU
Sự bùng nổ của ngành công nghiệp cơ khí và điện tự động hóa đã đạt
những thành tựu to lớn, đem lại rất nhiều lợi ích trong công việc cũng như nhiều
thiết bị ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hiện nay, các máy
gia công kỹ thuật số đang là xu hướng mới của thị trường. Do đó việc tự động
hóa các máy gia công kim loại như máy cắt khí ga - oxy là cần thiết để tăng
năng suất lao động cho các nhà máy, phân xưởng nhỏ. Nên việc nghiêm cứu, tìm
hiểu cải tiến nó là một trong những vấn để rất được quan tâm hiện nay.
Môn học Trang Bị Điện là môn học có thể giúp em thực hiện các công
việc này. Được giao đề tài về máy cắt khí ga - oxy là loại máy tương đối rẻ tiền
thích hợp với các phân xưởng nhỏ, lẻ. Với yêu cầu là thiết kế bộ điều khiển tự
động điều chỉnh vị trí trong tọa độ phẳng của thiết bị này. Qua thời gian học tập
nghiên cứu và sự chỉ bảo tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình, em đã thực hiện
xong đồ án này.
Mặc dù đồ án đã hoàn thành nhưng do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn
chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót. Em mong được sự góp ý ủng hộ của thầy
cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !
1
Mục lục:
LỜI NÓI DẦU 1
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ CẮT KHÍ GA –OXI 4
1.1. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CẮT KIM LOẠI 4
1.1.1. Công nghệ cắt kim loại bằn tia nước 4
1.1.2. Công nghệ cắt kim loại bằng tia plasma 6
1.1.3. Công nghệ cắt kim loại bằng tia laze 7
1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ CẮT KHÍ GA – OXI 9
1.2.1. Công nghệ cắt khí ga – oxi 9
1.2.2. Nguyên lý của cắt ga – oxi 9
1.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẮT GA – OXY 10
1.3.1. Ưu điểm 10

1.3.2. Nhược điểm 11
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHO THIẾT BỊ CẮT
GA – OXY 12
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CẮT TỰ ĐỘNG 12
2.2. THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO THIẾT BỊ CẮT GA – OXY.
12
2.2.1. Động cơ thực hiện cho máy cắt tự động 12
2.2.2. Bộ biến đổi 14
2.2.3. Các cảm biến 15
2.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ CẮT GA – OXY 17
2.3.1. Các bộ điều khiển thường dùng 17
2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 19
2.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 21
2.3.4. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 22
2.3.5. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống 24
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ CẮT GA - OXI 26
3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 26
3.2. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 27
2
3.2.1. Chương trình điều khiển trên máy tính 27
3.2.2. Chương trình nội suy trên vi điều khiển 35
3.2.3. Kết quả đạt được của phần mềm 42
3.3. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 42
3.3.1. Chương trình mô phỏng trên M-File Matlab 42
3.3.2. Chương trình mô phỏng trên Simulink Matlab 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
3
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ CẮT KHÍ GA –OXI
1.1. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CẮT KIM LOẠI
1.1.1. Công nghệ cắt kim loại bằn tia nước.

Máy cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay
các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ
lớn, hoặc bằng một hỗn hợp của nước và hạt mài (loại vật chất dùng để mài mòn
như các hạt đá mài). Nguyên lý của quá trình này tương tự như sự xói mòn bởi
nước ở trong tự nhiên nhưng nhanh hơn và tập trung hơn. Nó thường được sử
dụng cho việc chế tạo các vật mẫu hoặc sản xuất các bộ phận máy móc, thiết bị.
Nó cũng được sử dụng để cắt, tạo hình dáng, tạo lỗ khoan, chạm khắc trong
nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau từ khai thác mỏ đến hàng không vũ trụ.
Nó có thể cắt được kim loại, bê tông, đá, hay các vật cứng khác.
 Lịch sử
Năm 1950, tiến sĩ Norman Franz đã thử dùng máy cắt tia nước để cắt gỗ.
Tuy nhiên kỹ thuật này đã không được phát triển cho đến tận những
năm 1970 khi tiến sĩ Mohamed Hashish, khi đó làm việc tại phòng thí nghiệm
của FLow ( Mỹ ) đã tìm cách tăng khả năng cắt của máy cắt tia nước để cắt kim
loại. Ông đã tạo ra một phương pháp kỹ thuật đó là thêm vào dòng tia nước có
áp suất cao và tốc độ lớn các hạt mài để tăng khả năng cắt. Năm 1983, Flow
cung cấp cho trị trường sản phẩm máy cắt tia nước dùng hạt mài đầu tiên, được
coi là hãng sản xuất nắm giữ phát minh quan trọng này. Ngày nay việc cắt bằng
tia nước đã được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực. Một số loại tia nước hay được dùng
gồm: tia nước không có hạt mài, tia nước có trộn hạt mài, tia nước va đập. Công
nghệ cắt tia nước có hạt mài tiếp tục được phát triển liên tục khi mà áp suất cắt
hiện nay đã lên tới 94kpsi, gấp 3 lần thời điểm nó mới ra đời.
 Nguyên lý hoạt động.
4
Hình 1.1. Sơ đồ máy cắt bằng tia nước
1 - Nạp nước áp suất cao
2 - Đá quý (hồng ngọc hoặc kim
cương)
3 - Bột mài (đá mài)
4 - Ống trộn

5 - Bảo vệ
6 - Tia nước cắt
7 - Vật liệu cắt
Việc cắt bằng tia nước theo cách thức: nước được bơm và nén vào một
bình nén có áp suất cao sau đó được phụt qua một cái vòi nhỏ, việc cắt vào các
vật là do sự bắn phá của dòng tia nước có tốc độ cao này. Áp suất cắt có thể đạt
từ 40.000 psi đến trên 87.000 psi. Việc thêm vào dòng tia nước các hạt mài cũng
hỗ trợ cho quá trình cắt bằng tia nước. Do đặc tính dễ thay đổi của dòng cắt nên
tia nước có thể cắt được nhiều vật liệu khác nhau từ bê tông, đá, gỗ, vải hay đến
các kim loại. Cũng có vài loại vật liệu không thể cắt bằng tia nước như một số
loại thủy tinh đặc biệt, hay một số loại gốm. Việc cắt bằng tia nước không bị hạn
chế bởi độ dày vật thể, có thể cắt được các vật có độ dày trên 20 inch.
 Ưu điểm
Một lợi ích quan trọng của việc cắt bằng tia nước là khi cắt vào các vật
liệu nó không làm thay đổi cấu trúc bên trong, vốn có của vật liệu và không gây
nóng vật liệu. Việc giảm tối thiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong phương pháp
này cho phép các kim loại sau khi cắt không bị hỏng hay thay đổi tính chất của
kim loại do nhiệt độ.
Việc cắt bằng tia nước cũng ít tạo ra vết cắt trên vật liệu. Chiều rộng của
mũi cắt (tia nước) có thể thay đổi bằng việc thay đổi độ rộng của vòi cắt hay loại
hạt mài và kích cỡ hạt mài. Tia nước có hạt mài thường tạo ra vết cắt có độ rộng
từ 0,9 mm đến 1,2 mm nhưng cũng có thể nhỏ hơn, khoảng 0,4 mm. Tia cắt
5
không có hạt mài tạo ra vết cắt có chiều rộng từ 0,17 đến 0,35 mm, nhưng có thể
nhỏ hơn, khoảng 0,075 mm, vết cắt nhỏ như tóc của con người. Những vết cắt
nhỏ này có thể tạo được các chi tiết rất nhỏ trong các ứng dụng.
1.1.2. Công nghệ cắt kim loại bằng tia plasma.
 Lịch sử phát triển:
- Cắt plasma được phát triển vào năm 1960 và năm 1980 nổi lên như một
phương pháp hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và thép tấm .Nó tạo ít phôi vụn và

bề mặt chế tạo chính xác hơn, sạch hơn, nên nó sớm được phát triển rộng rãi.
- Với sự phát triển của máy công cụ,công nghệ CNC được áp dụng vào
cắt plasma trong nhưng năm sau 1980 đến năm 1990, mang lại sự linh hoạt và
chính xác hơn trước
Hình 1.2. Sơ đồ máy cắt bằng Plasma
 Nguyên lý hoạt động
- Là phương pháp gia công dùng dòng Plasma có nhiệt độ từ 11000 –
28000oC để cắt kim loại bằng cách làm cho nó nóng chảy cục bộ tại vị trí gia
công và dùng áp lực của dòng khí đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó.
Quá trình cắt này được chia làm 2 giai đoạn:
- Đầu tiên dòng khí nóng làm chảy và xuyên thủng vật liệu.
- Sau đó dòng Plasma được dịch chuyển theo đường dẫn đã được vạch sẵn
để cắt vật liệu.
- Dòng Plasma là 1 hỗn hợp khí của các electron tự do, các ion dương,
nguyên tử và phân tử. Các loại khí thường dùng để tạo Plasma là Nito, Argon,
6
hidro hay hỗn hợp các khí này. Dòng Plasma được phát sinh giữa các điện cực
Catod bên trong vòi phun (thường là Tungsten) và chi tiết gia công (Anod).
- Dòng Plasma đi qua dòng nước làm nguội ở đầu vòi phun và nó được
thu hẹp lại thành tia để tác động trực tiếp vào vị trí yêu cầu. Tia Plasma đến chi
tiết gia công có vận tốc cao và nhiệt độ cực nóng tại tâm của nó, nhiệt độ này đủ
để cắt đứt miếng kim loại dày 155,4 mm.
 Ưu điểm:
- Tốc độ cắt nhanh. Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt oxy-gas khi thực
hiện với các tấm dày dưới 50mm. Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt laser khi
thực hiện với các tấm dày hơn 3mm. Tốc độ cắt nhanh giúp tăng năng xuất,
giảm giá thành chung sản xuất.
- Có thể cắt nhiều loại vật liệu, cũng như độ dày khác nhau. Cắt plasma có
thể cắt nhiều loại vật liệu chứa sắt, hoặc không chứa sắt. độ dày cắt có thể lên
đến 80mm.

- Dễ dàng vận hành. Cắt plasma không yêu cầu kỹ thuật cao đối với người
vận hành, việc đào tạo cũng dễ dang, thao tác cắt đơn giản, không cần phải điều
chỉnh nhiều khi thao tác.
- Tính kinh tế. Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi cắt với các
tấm dày dưới 25mm.
 Nhược điểm:
- Điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành
sản xuất.
- Cắt plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại.
1.1.3. Công nghệ cắt kim loại bằng tia laze.
 Nguyên lý hoạt động.
7
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia laser.
Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập
trung lên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính.
Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ,
thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm).
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có
áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí
này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.
Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết
theo một quỹ đạo và vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện
bằng cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hoặc
chuyển động cơ khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Cũng
có máy thiết kế cả hai loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di
chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương còn
lại. Các hệ thống tự động hóa hoàn toàn cho phép cắt được các hình dáng 3D.
 Ưu điểm.
- Cắt được cả kim loại (trừ các kim loại có độ phản quang cao như nhôm,
đồng) và phi kim như nhựa, gỗ, kính.

- Cắt nhanh hơn cắt ga- oxi, nhưng chậm hơn plasma.
- Chất lượng đường cắt đẹp nhất, độ rộng đường cắt chỉ khoảng 0,5 mm.
 Nhược điểm
- Cắt được kim loại < 12 mm.
- Không cắt được hợp kim có độ nóng chảy khác nhau.
- Chi phí đầu tư và bảo dưỡng tốn kém.
8
1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ CẮT KHÍ GA – OXI.
1.2.1. Công nghệ cắt khí ga – oxi.
Cắt thép bằng khí ga và oxy là 1 phương pháp cắt gọt được sử dụng khá
phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục
đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ
phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí.Trang thiết bị bao gồm:
bình oxy, bình ga, đường ống, đồng hồ đo áp suất, van an toàn, mỏ cắt và một số
chi tiết phụ.
Phương pháp này phát huy hiệu quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết
bị, thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị
chí của công việc. Đặc biệt là trang thiết bị đầu tư rất rẻ mà hiệu quả kinh tế đem
lại cũng rất cao, việc sử dụng trang thiết bị cũng không khó khăn chỉ cần thợ có
1 chút kinh nghiệm là có thể sử dụng thiết bị. Bên cạnh đó phương pháp cắt gọt
này cũng gặp phải một vài nhược điểm: mạch cắt lớn và không bằng phẳng, có
thể gây cháy nổ do thiết bị hoặc do vật bị cắt gây nổ, vấn đề về môi trường
Phương pháp cắt gọt này vẫn đang được sử dung phổ biến trong các nhà máy
luyện thép và ở các phân xưởng nhỏ.
1.2.2. Nguyên lý của cắt ga – oxi.
Cắt kim loại bằng khí ga - ôxy là quá trình dùng nhiệt lượng của ngọn lửa
khí ga cháy với ôxy để nung nóng chỗ cắt đến nhiệt độ cháy của kim loại, sau đó
dùng luồng ôxy có lưu lượng lớn thổi bạt lớp ôxit kim loại đã nóng chảy để lộ ra
phần kim loại chưa bị ôxy hóa. Lớp kim loại này lại lập tức bị cháy (ôxy hóa)
tạo thành lớp ôxit mới, lớp ôxit này bị nóng chảy và bị luồng ôxy cắt thổi đi. Cứ

thế cho đến khi mỏ cắt đi hết đường cắt.
1, 2: Van điều chỉnh
3: Buồng hỗn hợp
4: Van điều chỉnh O2 cắt
5, 6: Ống dẫn
7: Đầu cắt
Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo mỏ cắt.
9
Khí cháy theo ống dẫn đi vào buồng hỗn hợp (3) qua van (1), O
2
theo ống
dẫn qua van (2) vào buồng hỗn hợp. Hỗn hợp khí cháy qua ống dẫn (6) để ra đầu
cắt (7). Luồng O2 cắt qua van (4), ống dẫn (5) để đến trực tiếp đầu cắt mà không
qua buồng hỗn hợp. Chọn số hiệu đầu cắt, áp lực O2 cắt và điều chỉnh công suất
ngọn lửa phụ thuộc chiều dày kim loại được cắt, để đảm bảo quá trình cắt đạt
năng suất cao nhất.
 Điều kiện để kim loại cắt được bằng khí cháy với ôxy.
- Nhiệt độ cháy của kim loại phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của nó.
- Nhiệt độ nóng chảy của ôxit kim loại phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của kim
loại đó. Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì ôxit kim loại trên bề mặt do phản
ứng cháy với ôxy sẽ không nóng chảy và không bị thổi đi, làm cản trở sự ôxy
hóa lớp kim loại tiếp theo. Ví dụ: Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy 2050
o
C, Al có
nhiệt độ nóng chảy là 600
o
C, nên không thể cắt Al bằng ngọn lửa khí cháy với
ôxy.
- Nhiệt lượng sinh ra trong phản ứng cháy của kim loại phải đủ lớn để duy trì
quá trình cắt liên tục.

- Xỉ tạo thành phải có tính chảy loãng cao để dễ thổi khỏi rãnh cắt.
- Tính dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim không được cao quá, nếu không sẽ làm
quá trính cắt không ổn định và có thể bị gián đoạn.
- Kim loại cắt không chứa các nguyên tố hóa học cản trở quá trình cắt.
1.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẮT GA – OXY.
1.3.1. Ưu điểm.
- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành.
- Cắt được các kim loại có độ dày từ 8 – 500 mm.
- Bề rộng đường cắt khoảng 2,2 mm.
- Có thể cắt được kim loại có chiều dày lớn.
- Năng suất khá cao.
- Chi phí rẻ hơn các loại máy cắt khác.
- Dễ vận hành, thao tác.
10
1.3.2. Nhược điểm.
- Tổn hao kim loại so với cắt bằng cơ khí.
- Chỉ cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt (sắt carbon, hợp kim sắt
thấp).
- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên chi tiết dễ bị cong vênh, biến dạng.
- Gây nguy hiểm khi sử dụng như: cháy, nổ.
11
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHO THIẾT
BỊ CẮT GA – OXY.
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CẮT TỰ ĐỘNG.
Với sự phát triển của kĩ nghệ cắt, đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế tạo
tàu biển, máy kéo v.v…với công nghệ cắt bằng tay có nhiều nhược điểm :
- Năng suất thấp, giá thành cao.
- Chất lượng vết không ổn định, phụ thuộc vào tay nghề và điều kiện làm
việc của công nhân.
- Tổn kim loại lớn.

Với công nghệ cắt tự động, những nhược điểm trên sẽ được khắc phục.
Công nghệ cắt tự động sẽ cho ra những sản phẩm có chất lượng cắt tốt nhất, đảm
bảo sai số so với thiết kế là nhỏ nhất, đồng thời năng suất lao động sẽ được tăng
nên rõ rệt.
2.2. THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO THIẾT BỊ CẮT GA – OXY.
2.2.1. Động cơ thực hiện cho máy cắt tự động.
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp
điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối
với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận
được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn
cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay
cũng không dễ dàng.
Hình 2.1: Một động cơ DC servo trong thực tế
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng
kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ
quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý
12
do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận
thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục
chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Với ưu điểm trên ta chọn
động cơ servo phục vụ cho việc điều khiển máy cắt tự động
Các phương trình mô tả quan hệ điện:
U = I.R+L+E
- Trong đó:
U: Điện áp phần ứng.
R: Điện trở mạch phần ứng.
I: Dòng điện mạch phần ứng.
L: Điện cảm mạch phần ứng.
E: Sức điện động phần ứng.
E = K

φω
=
φω
. (1)
- Với p- số đôi cặp 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.
K: Hệ số cấu tạo của động cơ.
φ
: Từ thông kích từ dưới một cực từ.
ω
: Tốc độ quay của động cơ.
- Dạng phương trình cân bằng điện áp khi chuyển sang toán tử Laplace.
U = I.R+pLI+E (2)
- Phương trình mômen.
+ Phương trình mômen điện từ.
M = K
φ
I (3)
+ Phương trình động học.
M = M + J
Với: M: Mômen cản trên trục động cơ.
J: Mômen quán tính của động cơ.
+ Phương trình động học khi chuyển sang dạng toán tử Laplace.
M = M + Jp (4)
13
Từ các phương trình (1), (2), (3), (4) ta xây dựng được mô hình động cơ điện
một chiều như sau:
Hình 2.2. Sơ đồ mô phỏng của động cơ điện một chiều .
2.2.2. Bộ biến đổi.

Động cơ điện một chiều không tiếp xúc được cấp điện từ bộ băm xung áp
một chiều điều chế độ rộng xung nếu bỏ qua quá trình chuển mạch của các van
thì có thể dùng sơ đồ khối như sau để mô tả bộ băm xung điều khiển.
Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển.
Mô hình có phần tử đóng cắt và có tín hiệu đặt kiểu chu kỳ U
df
vì tần số
làm việc của bộ băm xung vào khoảng 300 ÷400 Hz nên chu kỳ xung là rất nhỏ
so với hằng số thời gian điện từ và của mạch lực, do đó có thể thay thế bằng mô
hình toán tính hoá với thời gian trễ bằng một nửa chu kỳ xung điều chế, T
v0
=
f2
1

Hàm trễ này có thể coi gần đúng là khâu quán tính, việc thay thế này đủ
chính xác khi tần số băm đủ lớn
W
bd
(p)=K
bd
.e
0v
pT−
=
)1(
v
bd
pT
K

+

Trong đó: T
đk
: Là hằng số thời gian của bộ biến đổi.
14
T
v
: Là hằng số thời gian của van.
K
bđ
: Là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi.
2.2.3. Các cảm biến.
a.Các cảm biến đo dòng
Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều, ngoài việc đảm bảo độ
chính xác còn phải đảm bảo độ cách li giữa mạch động lực và mạch điều khiển.
Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu một
chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách li bằng biến áp hoặc phần tử quang điện.
Mạch đo bao gồm khâu biến điệu, khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo
được sóng biến điệu chuyển qua biến thế sau đó nghịch lưu thành tín hiệu xoay
chiều. Giữa sơ cấp và thứ cấp được cách li bởi biến thế. Thông thường sóng biến
điệu có tần số cao do vậy biến thế ở đây dùng lõi ferit nên giảm kích thước thiết
bị. Để nhiều xoay chiều không ảnh hưởng lớn tới bộ điều chỉnh ta phải chọn tần
số dao động lớn hơn mười lần tần số cơ bản đầu ra bộ chỉnh lưu.
U là điện áp thực của động cơ cần đo, U
*
là điện áp đầu ra của cảm biến.
Gọi K
I
là hệ số tỷ lệ ta có hàm truyền của cơ cấu đo là :

W
cbi
( )
p
=
( )
( )
pU
pU *
=
i
i
pT
K
+1

Trong đó :
K: Là hệ hệ số tỷ lệ.
T
i
: Là hằng số thời gian bộ lọc.
b. Cảm biến đo tốc độ
 Nhiệm vụ : Đo tốc độ góc của động cơ và gửi đến bộ vi xử lí
Nó là bộ đo tốc độ bằng xung số, mỗi vị trí góc đo ứng với sự phối hợp
các tín hiệu 0 hoặc 1
 Cấu tạo : Gồm có bộ phát ánh sáng, bộ phát hiện và mã hoá quang điện.
Bộ phát hiện quang điện có nhiệm vụ thu ánh sáng và phát thành tín hiệu điện
 Nguyên lí hoạt động : Bộ mã hoá quang điện có liên hệ cơ khí với động
cơ trên đó có gắn đĩa. Đĩa gồm có các phần mờ và trong suốt liên tiếp và nhiều
đường, mỗi đường lại gồm nhièu phần tử, ánh sáng do điôt phát quang quét qua

15
lỗ của đĩa tạo nên ở điôt quang điện tín hiệu tương tự. Tín hiệu này lại được
chuyển thành tín hiệu chữ nhật và được truyền về bộ vi xử lí.c Tại đây tín hiệu
chữ nhật được phân tích theo chương trình cài đặt sẵn, từ đó nó cho biết tốc độ
thực của động cơ. Tốc độ thực này được so sánh với tốc độ đặt tín hiệu được
điều chỉnh đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ
Đĩa quay của bộ mã hoá gồm (n) đường, mỗi đường có hệ thống đọc riêng
(điôt phát và điôt thu ). Mỗi vị trí góc của trục bộ mã hoá ứng với một mã hoá
nhị phân hình (H.3.7)
Mã nhị phân
B1 B2 B3
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0
5 1 0 1
6 1 1 0
7 1 1 1
Xét về mặt lí thuyết cảm biến tốc độ chính là một khối tỷ lệ có hệ số
khuyếch đại K=1, nhưng trên thực tế trong cảm biến này có bộ phận lọc và
chuyển đổi tín hiệu, vì vậy chúng chính là một khâu trễ bậc nhất do đó mô hình
toán của cảm biến tốc độ có dạng :
W
cbω
=
ω
pT+1
1
T

ω
: Hằng số thời gian của cảm biến đo tốc độ
c. Cảm biến vị trí
Xét về mặt cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến vị trí tương tự như
cảm biến tốc độ, nó chỉ khác ở một số điểm sau :
Vị trí đặt bộ mã hoá quang : Cảm biến vị trí, bộ mã hoá quang được đặt
trên các trục truyền động, còn cảm biến tốc độ bộ mã hoá quang có thể được đặt
trên các trục động cơ, cũng có thể được đặt trên các trục truyền động, vì vậy có
trường hợp người ta sử dụng cảm biến vị trí để đo tốc độ và đo vị trí.
16
Trong cảm biến vị trí có thêm bộ phận phát hiện chiều quay …
Tương tự như cảm biến tốc độ mô hình toán của cảm biến vị trí có dạng
như sau :
W
cb
ϕ
=
ϕ
pT+1
1
Trong đó : T
ϕ
là hệ số thời gian của cảm biến vị trí.
2.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ CẮT GA – OXY.
2.3.1. Các bộ điều khiển thường dùng.
Hệ thống truyền động trục chính là hệ thống điều khiển hoạt động phụ
thuộc vào chế độ hoạt động của hệ thống truyền động ăn dao. Cho nên phải đỏi
hỏi truyền động trục chính phải đảm bảo ổn định tốc độ hoạt động. Ngoài ra đây
còn là hệ thống điều khiển tự động nên bên cạnh yêu cầu về độ chính xác nó còn
yêu cầu về độ tác động nhanh.

Ta thấy trong hệ thống điều khiển vị trí có ba loại bộ điều chỉnh: bộ điều
chỉnh dòng điện (Ri), bộ điều chỉnh tốc độ (Rw): bộ điều chỉnh vị trí (Rv). Các
hệ thống điều chỉnh tự động trong công nghiệp thường sử dụng các thiết bị điều
chỉnh chuẩn sau: bộ điều chỉnh khuyếch đại (P), bộ điều chỉnh tích phân (I), bộ
điều chỉnh vi phân (D), bộ điều chỉnh kết hợp khuyếch đại - vi tích phân (PDI).
 Bộ điều khiển P.
Ưu điểm của bộ tỷ lệ là tốc độ tác động nhanh, nghĩa là khi có tín hiệu
vào thì lập tức có tín hiệu ra, tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào. Hệ
số sử dụng bộ tỷ lệ luôn luôn có cấu túc ổn định.
Nhược điểm của bộ điều chỉnh này là khi làm việc với đối tượng tĩnh - đối
tượng phổ biến trong công nghiệp, thì luôn luôn tồn tại sai lệch dư khi tín hiệu
chủ đạo là hàm bậc thang và không thể sử dụng trong hệ thống có tín hiệu chủ
đạo dạng hàm tích phân hoặc các hàm thay đổi theo thời gian.
Mô hình toán của bộ điều chỉnh tỷ lệ:
W
p
(P) =K
p

Trong đó: K
p
gọi là hệ số tỷ lệ.
 Bộ điều khiển I.
17
Ưu điểm của bộ điều chỉnh tích phân là triệt tiêu được sai lệch dư khi tín
hiệu chủ đạo là hàm bậc thang, vì trong hàm truyền đạt của hệ thống hở có tối
thiểu là một khâu tích phân.
Nhược điểm của bộ điều chỉnh tích phân là tốc độ tác đông chậm. Tín
hiệu ra luôn luôn chậm pha so với tín hiệu vào một góc bằng π/2. Do đó tốc độ
tác động chậm nên hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng bộ điều chỉnh tích phân

sẽ kém ổn định.
Mô hình toán của bộ điều chỉnh tích phân:
W
I
(p) =K
i
.
p
1

Trong đó : K
i
gọi là hệ số tích phân
 Bộ điều khiển D.
Ưu điểm của bộ điều chỉnh vi phân là tốc độ điều chỉnh nhanh (nhanh hơn
bộ điều chỉnh tỉ lệ), về mặt lý thuyết thì tín hiệu ra nhanh hơn tín hiệu vào một
góc nhưng trong thực tế không tồn tại bộ vi phân độc lập, mà chỉ có bộ tỷ lệ vi
phân (PD) hay tỷ lệ vi tích phân (PID).
Nhược điểm của bộ điều chỉnh vi phân là phản ứng nhanh và mạch với
nhiễu cao tần của từ trường bên ngoài tác động vào.
Mô hình toán của bộ điều chỉnh vi phân:
W
D
(p) =K
D
.
p
1
Trong đó : K
D

gọi là hệ số vi phân
 Bộ điều khiển kết hợp PID.
Do kết hợp ba bộ điều chỉnh tỷ lệ, vi phân, tích phân nên bộ điều chỉnh tỷ
lệ vi tích phân có đầy đủ ưu điềm của quy luật tỷ lệ, tích phân, vi phân và khắc
phục được những nhược điểm của bộ điều chỉnh riêng lẻ. Về tốc độ tác động bộ
điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) còn có thể nhanh hơn bộ điều chỉnh tỷ lệ (P)
nghĩa là góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của bộ điều chỉnh PID nằm
trong khoảng: -
2
π
< φ(ω)<
2
π
18
Trên quan điểm lý thuyết với sự lựa chọn thích hợp của ba thông số điều
chỉnh (hệ số khuyếch đại, hằng số thời gian tích phân, hằng số thời gian vi phân)
thì bộ điều chỉnh PID đáp ứng được hầu hết các yêu cầu về chất lượng của quá
trình điều chỉnh. Nhưng trên thực tế bộ điều chỉnh PID rất ít khi được sử dụng,
nó chỉ được sử dụng khi bộ điều chỉnh PI không đáp ứng được yêu cầu chất
lượng điều chỉnh vì những lí do sau :
- Khi sử dụng bộ điều chỉnh PID đòi hỏi người điều chỉnh phải có một
trình độ hiểu biết nhất định về cấu trúc của thiết bị điều chỉnh.
- Thành phần vi phân phản ứng rất mạnh đối với nhiễu cao tần do các từ
trường xoay chiều sinh ra trong các mạch điện.
- Cấu trúc của thành phần vi phân rất phức tạp nên khó chế tạo, khó điều
chỉnh.
Mô hình toán của bộ điều chỉnh PID là :
W
PID
= K

p
+ K
i
P
1
+K
D
P
Có nhiều phương pháp để tổng hợp lên bộ điều khiển PID. Trong đó 2
phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất đó là: Phương pháp module tối
ưu và phương pháp module tối ưu đối xúng.
Về căn bản, phương pháp module tối ưu là phương pháp dễ tổng hợp và
cho ra được đặc tính tác động nhanh hơn, nhưng lại thường mắc phải độ quá
điều chỉnh. Còn phương pháp module tối ưu đối xứng thì cho ra được đường đặc
tính không có độ quá điều chỉnh, nhưng thời gian tác động của hệ thống lại lâu
hơn, đồng thời tổng hợp khó hơn.
2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện.
Hình 2.4. Mạch vòng dòng điện.
 Trong đó:
19
R
i
: Là bộ điều khiển dòng
K
đk
: Là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi.
T
đk
: Là hằng số thời gian điều khiển.
T

v
: Là hằng số thời gian của van.
 Sơ đồ thu gọn
Hình 2.5. Mạch vòng dòng điện thu gọn.
 Trong đó:
i
S
0
- Hàm truyền đối tượng
)1)(1)(1)(1(
/.
0
pTpTpTpT
RKK
S
uivdk
uidk
i
++++
=
Do
ivdk
TTT ;;
là các hằng số thời gian rất nhỏ nên ta đặt
ivdks
TTTT ++=
Nên ta có:
)1)(1(
/.
0

pTpT
RKK
S
us
uidk
i
++
=
Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có :
22
.2.21
1
pp
F
ττ
++
=
⇒
)1.( 2
1
0
+
=
pS
R
i
i
ττ
Thay các giá trị
i

S
0
vào ta có :
).1(.2
)1)(1.(
ppKK
TpTR
R
idk
usu
i
ττ
+
++
=
- Chọn
si
T=
τ
pTKK
pTR
R
siđk
uu
i
.2
)1.( +
=⇒
Như vậy bộ điều khiển dòng ta chọn là bộ PI : Bộ tỉ lệ tích phân
Hàm truyền của hệ kín :

pT
F
s
Ki
21
1
+
=
(đã bỏ qua thành phần bậc cao T
s
2
p
2
)
20
2.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ.
Hình 2.6. Mạch vòng tốc độ.
 Trong đó:
R
ω
: Là bộ điều khiển tốc độ.
F: Là hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện.
 Sơ đồ rút gon có dạng như sau:
Hình 2.7. Mạch vòng tốc độ rút gọn.
S =
Để đơn giản hóa trong mô phỏng ta bỏ đi các thành phần tích phân bậc
cao. Do đó ta có hàm truyền kín có dạng như sau:
S =
Trong công nghệ cắt khí ga - oxy tự động thì yêu cầu đối với hệ thống
điều chỉnh vô sai cấp cao, do đó trong trường hợp này ta sẽ dùng phương pháp

tối ưu đối xứng để tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ. Với mạch vòng điều chỉnh tốc
độ, bộ điều chỉnh PI có dạng như sau:
R =
Và hàm truyền của mạch hở sẽ là:
F(p) =
Từ F(p) ta có thể tìm được hàm truyền kín F(p), sau đó ta đồng nhất F(p) với
hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được các thông số của bộ điều khiển như sau:
T = 8T’
K = = .4T’

⇒
R(p) =
21
2.3.4. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí.
Hình 2.8. Mạch vòng vị trí.
 Trong đó:
R: Là bộ điều khiển vị trí.
S: Là mạch vòng tốc độ đã được tổng hợp trước đó.
 Sơ đồ rút gon có dạng như sau:
Hình 2.9. Mạch vòng vị trí rút gọn.
 Trong đó:
S = S =
Để đơn giản hóa ta bỏ đi các thành phần tích phân bậc cao, khi đó S có dạng
như sau:
S =
Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta tổng hợp được bộ điều khiển có dạng như
sau:
R = =
Chọn τ = T, ta có bộ điều khiển R = , trong đó a là hệ số hiệu chỉnh sao cho
phù hợp.

Vậy ta có bộ điều chỉnh vị trí là một bộ khuếch đại P.
 Bộ điều khiển hoàn chỉnh:
22
Hình 2.10. Mô hình điều khiển vị trí động cơ điện một chiều.
23
2.3.5. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống.
a. Đặc tính đáp ứng của mạch vòng vị trí khi có khâu hạn chế dòng điện.
Hình 2.11. Đáp ứng của mạch vòng vị trí.
b. Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi có khâu han chế dòng điện
Hình 2.12. Đáp ứng của mạch vòng tốc độ.
c. Đáp ứng của mạch vòng dòng điện.
24
Hình 2.13. Đáp ứng của mạch vòng tốc độ.
25