nghiên cứu tổng quan về công nghệ hàn điện. thiết kế trang bị điện điện tử điều khiển tự động máy hàn điện trên hệ toạ độ phẳng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (605.29 KB, 42 trang )

MỤC LỤC
Mục lục………………………………………………………………………….1
Lời giới thiệu……………………………………………………………………3
Chương 1. Tổng quan về công nghệ hàn điện
1.1.Lịch sử phát triển của ngành hàn
1.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới 4
1.1.2. Lịch sử phát triển ngành hàn của Việt Nam 4
1.2. Phân loại các phương pháp hàn hiện nay
1.2.1. Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng 5
1.2.2. Phân loại theo trạng thái kim loại ở thời điểm hàn 5
1.2.3. Phân loại các liên kết hàn 5
1.3. Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại
1.3.1. Bản chất 6
1.3.2. Đặc điểm 6
1.3.3. Ứng dụng 7
Chương 2. Thiết kế trang bị điện - điện tử điều khiển cho máy hàn tự động
2.1. Khái niệm chung về hàn tự động
2.1.1. Khái niệm 8
2.1.2. Đặc điểm 8
2.1.3. Phân loại 8
2.2. Hàn tự động và bán tự động dưới thuốc
2.2.1. Phạm vi ứng
dụng 9
2.2.2. Công nghệ hàn hồ quang dưới thuốc 9
2.3. Các yêu cầu chung với nguồn hàn hồ quang 12
2.4. Hệ số tiếp điện của nguồn hàn 12
2.5. Máy hàn hồ quang tự động 14
2.5.1. Hệ truyền động dịch điện cực dùng máy phát- động cơ 15
2.5.2. Hệ truyền động dịch điện cực dùng hệ bộ biến đổi T-Đ 16
2.6.Truyền động trong hệ thống truyền động vị trí các trục máy hàn tự động
2.6.1. Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động 17

2.6.2. Bộ biến đổi ………………………………………………… 21
2.6.3. Các cảm biến 21
2.7. Các bộ điều chỉnh sử dụng trong máy hàn tự động
2.7.1. Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) 25
2.7.2. Bộ điều chỉnh tích phân (I)……………………………………26
2.7.3. Bộ điều chỉnh vi phân (D)…………………………………….26
2.7.4. Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)…………………………….26
2.7.5. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)…………………………… 27
2.7.6. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID)……………………… 28
2.8. Mô phỏng hệ thống truyền động điện máy hàn bằng máy tính
2.8.1. Tổng hợp mạch vòng của hệ thống dưới dạng hàm truyền 28
2.8.4. Chương trình nội suy hai trục toạ độ trong hệ toạ độ phẳng 38
Chương 3. Chương trình điều khiển máy hàn tự động trong hệ toạ độ
phẳng
3.1. Thiết kế phần cứng
3.1.1. Trình tự thiết kế mộ hệ thống tự động điều khiển 43
3.1.2. Cấu trúc phần cứng……………………………………………43
3.2. Thiết kế phần mềm
3.2.1. Chương trình trong Visual Basic ……………………………47
3.2.2. Chạy thử chương trình……………………………………… 49
Kết luận 51
Tài liệu tham khảo 52
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN ĐIỆN
1.1. Khái niệm chung về máy hàn điện
Hiện nay hàn điện là một công nghệ được dùng rộng rãi trong công nghiệp,
trong xây dựng và trong công nghiệp chế tạo máy
*Ưu điểm của máy hàn điện :
- Tiết kiệm được nguyên vật liệu so với các phương pháp gia công khác (so
với tán đinh 5÷10%; so với phương pháp đúc 40%)

- Có độ bền cơ khí cao, chất lượng mối hàn tốt
- Giá thành hạ, năng suất cao
- Công nghệ hàn đơn giản
- Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân và dễ tự động hoá
1.1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
Phân loại một cách tổng quan về máy hàn điện như sau:

Hàn điện
Hàn hồ quang Hàn tiếp xúc
Hàn tay Hàn tự động Hàn nối Hàn đường
Dưới lớp
trợ dung
Trong ga
bảo vệ
Một điểm hai
mặt
Hai điểm
một mặt
Hình 1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
1.1.2. Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang
* Điện áp không tải đủ lớn để mồi hồ quang
Khi nguồn hàn là một chiều với điện cực là :
- Kim loại: U
omin
= (30÷40)V
- Điện cực than U
omin
= (45÷55)V
Khi nguồn hàn là xoay chiều : U
omin

= (50÷60)V
* Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ ngắn
mạch làm việc. Bội số dòng điện ngắn mạch không được quá lớn
4,12,1
.
÷==
dm
mn
I
I
I
λ
(1-1)
Trong đó :
I
λ
: Bội số dòng điện ngắn mạch
I
n.m
: Dòng điện ngắn mạch
[ ]
A

I
dm
: Dòng điện hàn định mức
[ ]
A
* Nguồn hàn phải có công suất đủ lớn
* Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn, vì như ta đã biết

dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dòng điện hàn được tính theo
biểu thức sau :
I
h
=(40÷60).d (1-2)
Trong đó :
I
h
: Dòng điện hàn
[ ]
A
d : Đường kính que hàn
[ ]
mm
* Đường đặc tính ngoài (hay còn gọi là đường đặc tính Vôn-Ampe) của
nguồn hàn đáp ứng theo từng loại phương pháp hàn
- Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường
đặc tính ngoài dốc
- Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động có đường đặc
tính ngoài cứng
1.1.3. Hệ số tiếp điểm của nguồn hàn
Máy hàn là một thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Thời gian làm
việc dài nhất của máy hàn là thời gian hết một que hàn (ζ
1
). Thời gian nghỉ ngắn
nhất là thời gian đủ để thay que hàn và mối được hàn hồ quang (ζ
2
)
Đối với nguồn hàn dùng cho máy hàn hồ quang tự động, thời gian làm việc
dài nhất là thời gian hết một lô điện cực trên máy, còn thời gian nghỉ ngắn nhất

là thời gian đủ để thay lô điện cực hàn và mồi được hồ quang
Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ làm việc cao khi thoả mãn điều kiện
Q
1
= Q
2
(1-3)
Trong đó :
Q
1
= 0,24I
2
Rζ
1
: Nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian là ζ
1
Q
2
= k(ζ
1
+ζ
2
) : Nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một
chu kì làm việc T
ck
= ζ
1
+ζ
2
k : Hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt của nguồn hàn

Tính một cách gần đúng có thể coi hệ số k hầu như không đổi k = const. Từ
biểu thức (1-3) ta có :
0,24I
2
Rζ
1
= k(ζ
1
+ζ
2
) (1-4)
==
+ R
k
I
24,0
21
1
2
ζζ
ζ
const (1-5)
Trong đó : Tỉ số
21
1
ζζ
ζ
+
được biểu diễn bằng hệ số TĐ% là hệ số tiếp điện
tương đối của nguồn hàn hồ quang

TĐ% =
21
1
ζζ
ζ
+
. 100% (1-6)
Vậy (1-5) trở thành : I
2
TĐ% = const (1-7)
Do đó khi làm việc với chế độ ghi trên nhãn của nguồn hàn thì phải tính lại
dòng điện hàn ứng với hệ số tiếp điện của nguồn hàn. Ví dụ : Trên nhãn nguồn
hàn ghi chỉ số sau :
I
dm
= 300A ; TĐ% = 70%
Nếu cần dùng đối với I = 450A thì TĐ% là : I
2
TĐ% = I
2
TĐ%đm
Vậy TĐ% = 70%
%31
450
300
2
=







1.2. Các nguồn hàn hồ quang
1.2.1. Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều
Nguồn hàn hồ quang thường dùng biến áp hàn vì có những ưu điểm nổi bật
sau:
- Dễ chế tạo, giá thành hạ
- Có thể tạo ra dòng điện lớn
Biến áp hàn phổ biến là biến áp hàn một pha, có khi là ba pha. Thông
thường máy biến áp hàn ba pha dùng cho nhiều đầu hàn. Về cấu tạo, máy biến
áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu :
+ Máy biến áp hàn với từ thông tản bình thường : nó được chế tạo như hai
thiết bị riêng lẻ, lắp ráp trong một vỏ hộp chung, gồm một biến áp hàn một cuộn
kháng
+ Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường, được chế tạo theo các kiểu
sau :
- Có cuộn thứ cấp di động
- Có sơn từ
- Điều chỉnh theo cấp
1. Biến áp có cuộn kháng
Biến áp hàn loại này, ngoài lõi thép chính của máy biến áp còn có một cơ
cấu phụ gọi là cuộn kháng ngoài
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài
a
W
ck
W
2
W

1
Thay đổi khe hở trong mạch từ của cuộn kháng ngoài, có thể nhận được họ
đặc tính ngoài của máy biến áp hàn
- Khi không tải :
U
0
= U
2
(1-8)
Trong đó :
U
0
: Điện áp không tải
[ ]
V
U
2
: Điện áp thứ cấp của máy biến áp
[ ]
V
- Khi có tải :
U
2
= U
hq
+ U
ck
(1-9)
Trong đó :
U

hq
: Điện áp xoay chiều
U
ck
: Điện áp rơi trên cuộn kháng
U
ck
= I
2
.r
ck
+ j.I
2
.x
ck

≈
ω.L.I
2
(1-10)
Vì r
ck
rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Trong đó r
ck
là điện trở thuần của cuộn
kháng, x
ck
là điện kháng của cuộn kháng. Trong quá trình làm việc, I
2
tăng làm

cho U
ck
cũng tăng, điện áp hồ quang U
hq
giảm. Khi dòng I
2
tăng đến giá trị số
I
2
=I
n.m
(I
n.m
: Dòng điện ngắn mạch) thì điện áp hồ quang bằng không (U
hq
=0)
Khi đó :
I
2
= I
n.m
=
L
U
ω
2
(1-11)
Như ta đã biết, từ trở mạch từ R
m
tỉ lệ nghịch với điện cảm L. Do vậy khi

tăng khe hở mạch từ a, từ trở mạch từ R
m
tăng, điện cảm L giảm và dòng điện
ngắn mạch I
n.m
tăng lên. Với cách lập luận trên ta có được họ đặc tính ngoài trên
hình 1-3
U
U
0
a
3
a
2
a
1
I
I
nm3
I
nm2
I
nm1
a
1
< a
2
< a
3
Hình 1.3. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng

2. Biến áp hàn kiểu hỗn hợp
Loại máy biến áp này, mạch từ của cuộn kháng có quan hệ trực tiếp với
mạch từ chính
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp
Điều chỉnh khe hở mạch từ a, ta nhận đựơc họ đặc tính ngoài như hình 1.4
- Khi không tải :
U
0
= U
2
+ U
ck
(1-12)
Khi thay đổi khe hở mạch từ a, U
ck
thay đổi nên U
0
cũng thay đổi (U
0
=var)
- Khi có tải, điện áp rơi trên cuộn kháng và cuộn thứ cấp của máy hàn bằng
U
r
= I
2
(x
2
+ x
ck
) (1-13)

Điện áp hồ quang bằng :
U
hq
= U
2
+ U
ck
– U
r
= U
2
+ U
ck
– I
2
(x
2
+ x
ck
) (1-14)
Khi dòng điện I
2
tăng đến trị số I
2
= I
nm
thì điện áp hồ quang bằng không
(U
hq
= 0). Lúc này dòng điện ngắn mạch bằng :

I
nm
=
ck
ck
xx
UU
+
+
2
2
(1-15)
Tương ứng với các trị số khác nhau của khe hở mạch từ a, ta nhận được họ
a
W
ck
W
2
W
1
đặc tính ngoài của máy biến áp hàn như hình 1.5
Hình 1.5. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp
3. Máy biến áp hàn có shunt từ
Hình 1.6. Máy biến áp hàn có shunt từ
Shunt từ 4 được được lắp giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp
hàn. Shunt từ có thể di chuyển vào hoặc kéo ra khỏi hai cuộn dây. Bằng cách di
chuyển shunt từ ta có thể tạo ra họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn
1.2.2. Các nguồn hàn hồ quang một chiều
Nguồn hàn hồ quang một chiều được dùng làm nguồn hàn cho máy hàn hồ
quang tự động, bán tự động và hàn hồ quang bằng tay. Nguồn hàn hồ quang môt

chiều có hai loại :
- Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều)
- Bộ biến đổi tĩnh ( bộ chỉnh lưu)
a
3
a
2
a
1
I
I
nm3
I
nm2
I
nm1
a
1
< a
2
< a
3
U
U
01
U
02
U
03
3

1
4
2
1. Mạch từ

2. Cuộn sơ cấp
3. Cuộn thứ cấp
4. Shunt từ
Máy phát hàn một chiều được chia ra các loại như trên sơ đồ hình 1-7
Tuỳ thuộc vào kết cấu, cấu tạo của máy phát hàn một chiều sẽ có họ đặc
tính ngoài dốc, cứng hoặc hỗn hợp
Máy phát hàn một chiều được sử dụng rộng rãi nhất là loại máy phát hàn
một chiều có đường đặc tính ngoài dốc được chế tạo theo ba kiểu chính sau :
1) Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp
2) Máy phát hàn một chiều kích từ song song có cuộn khử từ nối tiếp
3) Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ
Hình 1.7. Phân loại máy phát hàn điện một chiều
1. Máy phát hàn một chiều
a. Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp (hình 1.8)
Hình 1.8. Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuọon khử từ nối tiếp
Máy phát hàn loại này có hai cuộn kích từ : cuộn kích từ độc lập W
1
được
cấp điện từ nguồn một chiều độc lập có điều chỉnh dòng kích từ bằng chiết áp
VR và cuộn khử từ nối tiếp W
2
đấu nối tiếp với phần ứng của máy phát. Từ
Máy phát
hàn một
Nhiều

dầu
hàn
Đặt
cố
định
Truyền
động
bằng
động
cơ điện
Di
động
Lắp
trong
một
vỏ
Kích
từ
song
song
Kích
từ
độc
lập
Lắp
trong
hai
vỏ
Mộ
t

dầu
hàn
Truyền
động
bằng
động
cơ đốt
trong
CM
VR
U
W
2
W
1
1 2
F
thông Φ
1
sinh ra trong cuộn W
1
ngược chiều với từ thông Φ
2
sinh ra trong cuộn
W
2
. Từ thông Φ
2
tỉ lệ với dòng điện hàn
- Khi không tải, từ thông Φ

2
= 0 và sức điện động của máy phát bằng :
E
0
= K
e
Φω (1-16)
Trong đó :
K
e
: Hệ số cấu tạo của máy phát
Φ
1
: Từ thông sinh ra trong cuộn W
1
ω : Tốc độ quay của phần ứng
- Khi có tải :
U
hq
= E – IR
F
= K
e
(Φ
1
– Φ
2
)ω – IR
F
(1-17)

Trong đó :
R
F
: Điện trở trong của máy phát
Để điều chỉnh dòng hàn và tạo ra họ đặc tính ngoài có hai cách :
- Điều chỉnh thô bằng chuyển mạch CM để thay đổi số vòng dây của cuộn
W
2
(hình 1.9a)
- Để điều chỉnh tinh bằng chiết áp VR để thay đổi dòng kích từ I
kt
của máy
phát (hình 1-9b)
a) b)
Hình 1.9. Họ đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy hàn 1 chiều
b. Máy phát hàn một chiều kích từ song song có cuộn khử từ nối tiếp
Máy phát hàn có hai cuộn dây : Cuộn kích từ song song W
1
và cuộn khử từ
nối tiếp W
2
. Họ đặc tính ngoài và điều chỉnh dòng điện hàn tương tự như máy
phát hàn hồ quang một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp
c. Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ
U
21
I
I
nm2
I

nm1
W
21
> W
22
U
21
I
I
kt1
< I
kt2
< I
kt3
3
Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ tạo ra đặc tính ngoài dốc do tác dụng
khử từ của từ thông sinh ra trong cuộn dây phần ứng cử máy phát (phản ứng
phần ứng). Máy phát có hai cuộn kích từ ; cuộn kích từ chính W
1
và cuộn phụ
W
2
. Máy phát có 4 cực từ N
1
, N
2
, S
1
, S
2

, và ba nhóm chổi than A, C, Z. Loại máy
phát kiểu này khác vối hai máy phát kể trên cực từ cùng cực tính sắp xếp về một
phía. Trên đường trung tính AC lấy điện áp ra :
U
AC
= U
hq
(1-18)
Hình 1.10. Máy phát một chiều có cực từ trễ
Điện áp U
cz
lấy ra hai chổi than C và Z là hai chổi than phụ. Mỗi đôi cặp
cực cùng cực tính được coi như cực từ
- Khi không tải : Do tác dụng tương hỗ của từ thông dọc Ф
d
và từ thông
ngang Ф
n
, trên các chổi than xuất hiện điện áp
U
Az
=C
d
.Ф
n
và U
cz
=C
n
Ф

n
(1-19)
Sức điện động tổng của máy phát bằng
E
AC
= U
Az
+ U
cz
= C
d
Ф
d
+C
n
Ф
n
(1-20)
- Khi có tải : Có dòng điện phụ chảy trong phần ứng của máy phát. Từ
thông do dòng điện phụ chảy trong phần ứng sinh ra có chiều cùng chiều với từ
thông ngang Ф
n
và ngược chiều với từ thông dọc Ф
d
. Các thanh dẫn của phần
ứng trong các góc phần tư AOZ và DOC, tạo ra từ thông bù thêm cho từ thông
trong cuộn kích từ W
1
. Các thanh dẫn của phần ứng nằm trong góc phần tư ZOC
và AOD tạo ra từ thông ngược chiều với từ thông trong cuộn kích từ phụ W

2
Z
C
A
W
2
VR
W
1
F
Khi có tải, do tác dụng khử từ của từ thông dọc Ф
d
và do phản ứng phần
ứng nên điện áp U
AZ
sẽ giảm xuống
U
Az
= C
d
(Ф
d
– Ф
pư
) (1-21)
Trong đó :
Ф
pư
: Từ thông do phản ứng phần ứng sinh ra
Điện áp U

zc
hầu như không tăng vì không tăng vì mạch từ đã bảo hoà
U
zc
=C
n
Ф
n
≈
const. Như vậy điện áp kích từ lấy trên hai chổi than C, Z không phụ
thuộc vào sự biến động của phụ tải, còn điện áp lấy trên hai chổi than A, C thay
đổi theo phụ tải
U
AC
= U
AZ
+ U
ZC
= C
d
(Ф
d
– Ф
pư
) + U
ZC
– IRư (1-22)
Khi dòng hàn tăng, phản ứng phần ứng tăng làm cho điện áp U
CA
giảm xuống.

Khi ngắn mạch, từ thông Ф
pư
tăng nhanh và lớn hơn từ thông dọc Ф
d
, điện áp
U
AZ
ngược chiều với điện áp U
ZC
và điện áp U
AC
= 0
U
AC
= C
n
(Ф
n
– Ф
pư
) = C
d
Ф
d
– IRư (1-23)
2. Nguồn hàn hồ quang dùng bộ chỉnh lưu
Sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra nhiều ứng dụng
của nó trong nguồn hàn một chiều. Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu có
những ưu việt sau đây so với máy phát hàn một chiều :
- Chỉ tiêu năng lượng cao

- Không có phần quay
- Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp
Nguồn hàn một chiều dùng chỉnh lưu gồm hai bộ phận chính : Máy biên áp
hàn và bộ chỉnh lưu. Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu được chế tạo
thành các loại như trên hình 1-11
Chỉnh lưu hàn
Cầu
một
pha
Có
điều
khiể
n
Cầu
ba
pha
Dùn
g
xêlen
Không
điều
khiển
Dùn
g
điốt
Hình 1-11. Các loại nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN  ĐIỆN TỬ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG
2.1. Khái quát chung của máy hàn tự động
Với sự phát triển của kĩ nghệ hàn, gia công sắt thép bằng phương pháp hàn,

đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế tạo tàu biển, máy kéo v.v…với công
nghệ hàn trong tay có nhiều nhược điểm :
- Năng suất thấp, giá thành cao
- Chất lượng mối hàn không ổn định, phụ thuộc vào tay nghề và điều kiện
làm việc của công nhân
- Tổn hao que hàn lớn
Với công nghệ hàn hồ quang tự độn, những nhược điểm trên sẽ được khắc
phục. Tuy nhiên, đảm bảo cho ngọn lửa hồ quang cháy ổn định, bảo vệ mối hàn
không bị không khí xâm thực là vấn đề không đơn giản. Để giải quyết vấn đề
đó, hiện nay thường dùng hai phương pháp :
- Hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung
- Hàn hồ quang tụ động trong không khí
Trong máy hàn có hai loại truyền động riêng biệt :
- Hệ truyền động tự động đẩy điện cực vào vùng hàn
- Hệ truyền động di chuyển xe hàn
Trong quá trình làm việc, máy hàn đảm bảo các thao tác hàn : mỗi hồ
quang, duy trì ngọn lửa hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn, đẩy điện cực
vào vùng hàn, di chuyển xe hàn, quay đầu hàn, cấp chất trợ dùng vào vùng hàn
v.v…
Hệ truyền động trên máy hàn hồ quang tự động yêu cầu điều chỉnh tốc độ
êm, phạm vi điều chỉnh tốc độ tới D = 10 : 1
Sơ đồ khối của hệ truyền động đẩy điện cực vào vùng hàn được biểu diễn
trên hình 2.1
Điều chỉnh tốc độ đẩy điện cực vào vùng hàn nhờ bộ biến đổi thyristor.
Thay đổi chiều quay của động cơ M bằng hai côngtắctơ K
1
và K
2
. Hệ thống có
hai chế độ làm việc : Chế độ làm việc tự động TĐ và hiệu chỉnh HC. Thay đổi

hai chế độ bằng chuyển mạch CM
2.1.1. Hệ truyền động dịch điện cực dùng máy phát - động cơ (F-Đ)
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHO MÁY HÀN TỰ ĐỘNG
2.6. Truyền động trong hệ thống truyền động vị trí các trục của máy hàn tự
động
2.6.1. Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động
Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động là động cơ tiếp xúc một
chiều
Khác với động cơ điện một chiều bình thường, động cơ không tiếp xúc một
chiều có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay đặt trên rôtor
.Trên hình (H.2.1.a) là mô hình của động cơ bình thường còn hình (H.2.1.b) là
mô hình của động cơ không tiếp xúc
Stator của động cơ không tiếp xúc được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện
.Trong các rãnh của stator đặt trong cuộn ứng (2) giống như trong rãnh của phần
ứng bình thường. Phần cảm của động cơ bình thưòng là nam châm vĩnh cửu
(3). . Để đơn giản hoá có thể mô hình hoá bộ phận đổi chiều điện tử bằng giá đỡ
chổi than (4) và chổi than (5) đặt trên rôtor
Trong động cơ không tiếp xúc, cuộn ứng đứng yên nên đổi bộ phận đổi
chiều dễ dàng được thay thế bằng bộ điện tử, được điều khiển bởi bộ cảm biến
vị trí trên trục động cơ. Nhờ vậy, bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay
đổi dòng điện trong cuộn ứng khi rôtor quay tương tự như vành góp chổi than
Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần như trên
hình (H.3.2)
Phần 1: Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng một pha trên stator và rôtor
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
Phần 2 : Cảm biến vị trí rôtor, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức
năng tạo tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều
Phần 3 : Bộ đổi chiều tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn
ứng trên stator theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôtor

Bộ phận đổi chiều quay cùng pha với rôtor và đóng ngắt các bối dây của
cuộn ứng trên stator sao cho dòng điện chạy trong cuộn ứng đối diện với từng
cực từ của phần cảm của rôtor luôn có chiều không đổi. Khi đó các quan hệ điện
từ của động cơ không tiếp xúc giống như trong động cơ bình thường và được
biểu diễn bằng các phương trình sau :
- Phương trình cân bằng điện áp :
E
dt
di
LIRU
uuu
++=
Trong đó:
U
- điện áp phần ứng
u
R
- điện trở mạch phần ứng
u
I
- dòng điện mạch phần ứng
u
L
- điện cảm mạch phần ứng
E
- sức điện động phần ứng

φω
π
ωφ

.
.2

a
pN
KE ==
(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
u
u
u
uuuu
R
L
p
REU

I
EIpLIRU
.1
/1).(
.
+
−
=⇒
++=

u
u
Tp
R
EU
.1
/1
)(
+
−=
(2)
- Phương trình mômen
+ Phương trình mômen điện từ

udt
IKM .
φ
=
(3)
+ Phương trình động học

dt
d
JMM
c
ω
+=
Với
c
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

ω
pJMM
c
+=
(4)

Jp
MM
c
+
−
=⇒
1
ω
(5)

+ T ừ các phương trình (1); (2); (3); (4); (5) ta có sơ đồ cấu trúc của động
cơ điện một chiều :
Hình 1: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện tiếp xúc một chiều
2.6.2. Bộ biến đổi
Động cơ điện một chiều không tiếp xúc được cấp diện 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 hình (H 3) để mô tả bộ băm xung
u
u
pT
R
+
1
/1
φ
.K
Jp
1
φ
.K
d
U
M
c
M
−
ω
E
−
Mô hình có phần tử role 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

trên hình (H.3.4)
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
=e
0v
pT−
=
bd
pT+1
1

Trong đó ; T
bd
là hằng số thời gian của bộ biến đổi .
2.6.3. Các cảm biến.
a.Các cảm biến đo dòng

Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chièu và điện áp 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 chỉnh 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 chỉều không ảnh hưởng lớn tới bộ đièu chỉnh ta phải
chọn tần số dao động lớn hơn mười lầnn tần số cơ bản đầu ra bộ chỉnh lưu
Trên hình (H.3.5) là sơ đồ cách li các đại lượng một chiều dùng bán dẫn
quang điện. Nó gồm mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh,
mạch truyền xung và mạch tích phân
Trong đó : U là điện áp thực của động cơ cần đo, U
*
là điện áp đầu ra của
cảm biến. Gọi K
1
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
= RC : 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 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
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
2.7. Các bộ điều chỉnh sử dụng trong máy hàn tự động
Đặt vấn đề
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 phân (PD), bộ
điều chỉnh kết hợp khuyếch đại - tích phân (PI), bộ điều chỉnh kết hợp khuyếch
đại - vi tích phân (PDI)
2.7.1. Bộ điều chỉnh tỷ lệ (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
2.7.2. Bộ điều chỉnh tích phân (I)
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 Л/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
2.7.3. Bộ điều chỉnh vi phân
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
2.7.4. Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)
Do kết hợp hai bộ điều chỉnh tỷ lệ và điều chỉnh tích phân nên bộ điều
chỉnh tỷ lệ tích phân có ưu điểm tác động nhanh của quy luật tỷ lệ (do tác động
của bộ (PI) nhanh hơn bộ điều chỉnh I nhưng chậm hơn bộ điều chỉnh P) và triệt
tiêu được sai lệch của quy luật tích phân. Tuy nhiên để hệ thống làm việc tốt hơn
phải chọn các thông số tỷ lệ và tích phân thích hợp
Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh PI chậm pha so với tín hiệu vào của nó một
góc nằm trong khoảng 0< φ(ω) < Л/2
Mô hình toán của bộ điều chỉnh PI là :
W

PI
=K
p
+ K
i
p
1

2.7.5. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)
Do kết hợp hai bộ điều chỉnh tỷ lệ và bộ điều chỉnh vi phân nên bộ điều
chỉng tỷ lệ vi phân có ưu điểm tác động nhanh của bộ điều chỉnh vi phân, tín
hiệu ra gần như lặp lại tín hiệu vào, song tín hiệu ra của bộ điều chỉnh PD
thường hay có sai lệch
Mô hình toán của bộ điều chỉnh PD là :
W
p
(p) =K
p
+K
D
.p
2.7.6. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (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
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
Vị vậy để đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ thống cũng như tính
ứng dụng thực tiễn ta sử dụng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện và
mạch vòng tốc độ, sử dụng bộ điều chỉnh PD cho mạch vòng vị trí, do đó mô

hình toán học của các bộ điều chỉnh như sau :
Mô hình toán bộ điều chỉnh dòng điện :
W
Ri
(P) =P
i
+ I
i
.
s
1
=
s
IsP
i
+.

Mô hình toán bộ điều chỉnh tốc độ :
W
Rω
(P) =P+ I.
s
1
=
s
IsP +.

Mô hình toán bộ điều chỉnh vị trí :
W
Rv

(P) = P
v
+ D
v
.s
2.8. Mô phỏng hệ thống truyền động điện máy hàn bằng máy tính
2.8.1. Tổng hợp mạch vòng của hệ thống dưới dạng hàm truyền
a. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
H.Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
- Trong đó :
i
R
- Bộ điều chỉnh dòng điện

)1)(.1( pTpT
K
vdk
cl
++
- Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
Với
cl
K
- Hệ số khuếch đại chỉnh lưu

dk
T
- Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh
- Sơ đồ thu gọn
H. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng dòng điện

- Trong đó :
i
S
0
- Hàm truyền đối tượng
)1)(1)(1)(1(
/1
0
pTpTpTpT
RKK
S
uivdk
uicl
i
++++
=
Do
ivdk
TTT ;;
là các hằng số thời gian rất nhỏ nên ta đặt
ivdksi
TTTT ++=
Nên ta có:
i
R
).1)(.1( pTpT
K
vdk
cl
++

pT
R
u
u
.1
/1
+
pTi
K
i
.1
+
id
U
I
i
U
−
φ
K
Jp
1
φ
K
E
−
C
M
−
i

R
i
S
0
id
U
I
_
)1)(1(
/1
0
pTpT
RKK
S
usi
uicl
i
++
=
Hàm truyền kín của hệ thống :
ii
ii
SR
SR
F
0
0
1
.
+

=
Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có :
22
.2.21
1
pp
FF
MC
ττ
++
==
⇒
)1(
1
1
0
−
=
−
MC
i
i
FS
R
Thay các giá trị
MCi
FS ;
0
vào ta có :
).1(.2

)1)(1.(
ppKK
TpTR
R
icl
usiu
i
ττ
+
++
=
- Chọn
si
T=
τ
pTKK
pTR
R
siicl
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
si
Ki

21
1
+
=
(đã bỏ qua thành phần bậc cao T
si
2
p
2
)
* Tính chọn bộ điều khiển dòng
- Tốc độ góc của rôto :
55,9
dm
dm
n
=
ω
)/(157
55,9
1500
srad==
- Mômen :
dm
dm
dm
P
M
ω
=