Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ổn định tốc độ hệ thống thủy lực

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………


MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các
thiết bị truyền dẫn, điều khiển thủy khí sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở hầu
hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, máy dập, máy xây dựng, máy ép
khuôn, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm,… do những
thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với
kích thích nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị
truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện.
Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ổn định tốc độ hệ thống thủy lực”
mà nhóm sinh viên nghiên cứu là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao, sinh viên
được nghiên cứu lý thuyết về truyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vận
tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực, các phương án nâng cao độ
ổn định trong điều khiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi.
Khi thực hiện đồ án này, bản thân chúng em cũng đã cố gắng tìm tòi, nghiên
cứu các tài liệu một cách nghiêm túc và mong muốn là đồ án đạt kết quả tốt nhất. Tuy
nhiên vì bản thân còn ít kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót. Một lần
nữa chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tụy truyền đạt các
kiến thức quý báu cho chúng em. Đặc biệt, chúng em xin gửi lời biết ơn đến thầy Bùi
Thanh Lâm, đã quan tâm giúp đỡ trong suốt quá trình làm việc, đóng góp ý kiến để
tạo điều kiện thuận lợi cho bản thân chúng em hoàn thành đề tài.
Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2014
Nhóm sinh viên thực hiện:
Lê Duy Tụ
Mai Xuân Phú
Phạm Văn Thư

4

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu chung về đề tài.
Với nhiều ưu điểm, truyền động thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Ở nước ta hiện nay trong nhiều máy công cụ, máy
nông nghiệp, máy vận chuyển, máy xây dựng, khai thác mỏ, địa chất, vận tải,.v.v. đã
có nhiều bộ phận dùng đến truyền động thủy khí. Truyền động thủy khí có nhiều ưu
điểm, dễ dàng điều khiển tự động hóa vận tốc cơ cấu chấp hành, quá trình điều khiển
yêu cầu độ chính xác cao như trong các máy CNC, các cơ cấu cấp phôi, các thiết bị
nâng hạ chi tiết, những cơ cấu chịu tải trọng thay đổi, chất lượng sản phẩm ảnh hưởng
trực tiếp bởi tính chính xác về điều chỉnh và ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành.
Do vậy, nghiên cứu động lực học để tìm ra phương án ổn định tốc độ cơ cấu
chấp hành của hệ thống tự động thủy khí là rất cần thiết, giúp cho việc khai thác sử
dụng thiết bị hiệu quả, cũng như nghiên cứu thiết kế thiết bị mới.
Với sự ra đời của hệ thống ổn định tốc độ cơ cấu chấp hành hệ thống thủy khí,
các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy khí có thêm phương án để nâng cao độ chính
xác và sự ổn định, giúp hệ thống hoạt động một cách chính xác và hiệu quả hơn rất
nhiều.
1.2. Các vấn đề đặt ra.
Các nghiên cứu động lực học trước đây đối với hệ thống tự động thủy lực chuyển
động có tải trọng, người ta thường coi tải trọng tác dụng là không đổi và thường bỏ
qua một số thông số ảnh hưởng đến hệ thống. Điều này chỉ đúng với một số trường
hợp khi thiết kế máy yêu cầu độ chính xác không cao. Tuy nhiên, nhiều thiết bị sử
dụng trong thực tế có tải trọng thay đổi và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố vì vậy
tốc độ của cơ cấu chấp hành sẽ biến thiên. Việc thiết kế một mô hình tính toán ổn định
tốc độ cơ cấu chấp hành của hệ thống thủy khí chuyển động chịu tác dụng của tải trọng
thay đổi và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển là rất quan trọng.
Với yêu cầu cảu đề tài nhóm xác định các yêu cầu công nghệ như sau
−
−
−

−
−
−

Tải trọng của tải thay đổi từ 0kg – 50kg
Công suất động hệ thống 250W.
Tốc độ cơ cấu chấp hành ổn định ở mức 1,5 cm/s.
Sai số vận tốc <20%.
Tổn hao năng lượng do dầu rò <10%
Đưa hệ thống vào hoạt động thực tế, so sánh hệ thống trước và sau khi có bộ
điều khiển.

Yêu cầu với thiết kế cơ khí:
− Bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết đầy đủ thông số chế tạo.
− Kết cấu hệ thống cơ khí vững chắc hệ thống hoạt động an toàn khi quá tải 10kg.
5


Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển:
− Xây dựng thuật toán điều khiển đơn giản, dễ hiểu.
− Thiết đặt tốc độ cơ cấu chấp hành từ thiết bị ngoài.
1.3. Phương pháp nghiên cứu.
Đối với một hệ thống cơ điện tử thì phương pháp thiết kế là rất quan trọng nó
mang tính tổng quát và là tiên phong trong một đồ án cơ điện tử.
Hệ thống ổn định tốc độ cơ cấu chấp hành hệ thống thủy khí đã được ứng dụng
rộng rãi trong các máy CNC, Robot công nghiệp, các hệ thống sản xuất linh hoạt. Đã
có một số công trình, đề tài nghiên cứu về vấn đề này. Nên trong quá trình làm đồ án,
nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu như sau:
− Nghiên cứu mô hình của hệ thống thật trên các máy công cụ. Từ đó áp dụng để
thiết kế trong giới hạn đề tài.

− Tìm hiểu các đề tài có liên quan, áp dụng các kiến thức đã được biết trong quá
trình học.
− Từ lý thuyết nghiên cứu được tiến hành viết chương trình điều khiển và mô
phỏng trên máy tính, sau đó thử nghiệm các modul điều khiển các chương trình
trên cơ cấu cơ khí thật.
− Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế đồ án, cụ thể
là:
 Thiết kế theo tuần tự và đồng thời.
 Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần thủy khí và điện, tối ưu hóa các thiết
kế trước khi chế tạo.
1.4. Phạm vi và giới hạn đề tài nghiên cứu.
Đây là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao và phạm vi kiến thức rất rộng,
nhưng với với trò là một đồ án tốt nghiệp, nhóm nghiên cứu sẽ đi sâu vào lý thuyết về
truyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ
thống truyền động thủy lực, tìm hiểu các phương án nâng cao độ ổn định trong điều
khiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi.
Trong đề phạm vi đề tài nhóm sẽ đề cập, tính toán, phân tích hai phương án để
ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành :

−
−
−
−
−


Phương án 1: Phương pháp tiết lưu
Tìm hiểu về bộ điều tốc.
Các sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng phương pháp tiết lưu.
Các cách mắc bộ điều tốc.

Tính toán tổn thất vận tốc khi sử dụng phương pháp tiết lưu.
Ưu nhược điểm của các vị trí mắc bộ điều tốc.
Phương án 2: Phương pháp thể tích.
6


− Sử dụng bơm có năng suất thay đổi.
− Ứng dụng các phương điều khiển tốc độ động cơ, từ đó điều chỉnh vận tốc của
cơ cấu chấp hành.
− Đưa ra đáp ứng vận tốc của cơ cấu chấp hành trước và sau khi có bộ điều khiển.
− Tính toán các tổn thất năng lượng khi sử dụng phương pháp thể tích.
Từ đó có thể đưa ra đánh một cách chính xác về ưu, nhược điểm của từng
phương án và lựa chọn vào từng trường hợp cụ thể cho phù hợp với yêu cầu thực tế.
Thông qua đó kết hợp với những kiến thức về truyền động thủy lực cũng như cơ khí
nói chung để chế tạo mô hình thực nghiệm cho những cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu và
tìm hiểu.

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ HỆ THỦY LỰC.
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống thủy lực.
Truyền động thủy lực (truyền động thủy khí) là tổ hợp các cơ cấu thủy lực và
máy thủy lực, dùng môi trường chất lỏng làm không gian để truyền năng lượng từ bộ

7


phận dẫn động đến bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, mômen và biến
đổi dạng theo quy luật chuyển động.
2.2. Ưu - nhược điểm của truyền động thủy lực.
Truyền động thủy lực có ưu điểm chung là:
− Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động trong điều chỉnh vận tốc chuyển

động của bộ phận làm việc, thực hiện ngay khi máy đang làm việc.
− Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc với nhau,
các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ.
− Do chất lỏng làm việc trong truyền động thủy lực chủ yếu là dầu nên có điều
kiện bôi trơn rất tốt các chi tiết.
− Truyền động êm dịu.
− Cho phép đảo chiều chuyển động của bộ phận làm việc dễ dàng.
− Có thể phòng sự cố khi máy quá tải.
− Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ, được dùng nhiều trong hệ thống tự động.
− Truyền động công suất làm việc lớn.
Tuy nhiên truyền động thủy lực cũng có những nhược điểm hạn chế phạm vi sử
dụng của nó:
− Vận tốc chuyển động bị hạn chế vì phải đề phòng sự va đập thủy lực khi thao
tác với các thiết bị, tổn thất cột áp.
− Khó khăn làm kín các bộ phận làm việc, chất lỏng dễ bị rò rỉ, hay bị không khí
bên ngoài lọt vào làm giảm hiệu suất và tính chất ổn định của truyền động.
Muốn khắc phục nhược điểm này cần có các kết cấu phức tạp và chế tạo khó
khăn.
− Yêu cầu chất lỏng làm việc rất phức tạp: độ nhớt phải thích hợp (để tránh rò rỉ
nhiều và tổn thất năng lượng) và ít thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi; hệ số
chịu nén nhỏ; ổn định và bền vững về mặt tính chất hóa học; khó bị ôxy hóa,
khó cháy; ít hòa tan khí và hơi nước;.v.v.
2.3. Hệ thống điều khiển thủy lực.
2.3.1. Hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển bằng thủy lực được mô tả qua sơ đồ 2.1, gồm các cụm và
phần tử chính, có chức năng sau :
−
−
−
−

−

Cơ cấu tạo năng lượng : bơm dầu, bộ lọc...
Phần tử nhận tín hiệu : các loại nút ấn.
Phần tử xử lý : van áp suất, van tiết lưu.
Phần tử điều khiển : van đảo chiều.
Cơ cấu chấp hành : xy lanh, động cơ dầu.

8


Cơ cấu
chấp hành
Phần

Phần

tử nhận

tử xử lý

Năng lượng điều khiển

Phần tử
điều khiển

Dòng năng lượng
tác động lên quá
trình

Cơ cấu tạo
năng lượng

Hình 2-1. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực
2.3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực.

Cơ cấu
chấp hành

Phần tử
điều khiển

Dòng năng lượng

Cơ cấu tạo
năng lượng

Hình 2-2. Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực.
2.4. Cấu tạo, chức năng các thiết bị cơ bản.
2.4.1. Bơm bánh răng.
Bơm bánh răng được dùng phổ biến nhất trong các loại máy rôto vì có nhiều ưu điểm:
Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, tuổi bền cao, kích thước nhỏ gọn, có
khả năng chịu quá tải trong thời gian ngắn... Các ưu điểm này rất cần thiết đối với một
bơm dùng trong truyền động thuỷ lực.
- Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

9


2

a

5

6 1
B

3

A

4

Hình 2-3. Sơ đồ kết cấu bơm bánh răng.
1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Vỏ bơm; 4- Ống hút;
5- Ống đẩy; 6- Van an toàn; A- Buồng hút; B- Buồng đẩy.
Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là sự thay đổi thể tích: khi thể tích của
buồng hút (A) tăng, bơm dầu hút, thực hiện chu kỳ hút; và khi thể tích giảm, bơm đẩy
dầu ra buồng (B), thực hiện chu kỳ nén. Nếu trên đường đi của dầu ta đặt một vật cản
thì dầu sẽ bị chặn lại tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc và độ lớn của sức cản và
kết cấu của bơm.
Lưu lượng bơm bánh răng được tính theo công thức:

Trong đó:
mô đun của bánh răng

[cm];

bề rộng bánh răng

[cm];

bề rộng bánh răng

[cm];

số vòng quay trong một phút

[cm];

số răng;
hiệu suất thể tích.
2.4.2. Xy lanh thủy lực.
Xy lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất
thành năng lượng cơ học – chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay. Thông thường
xy lanh được lắp cố định, pittong chuyển động. Trong một số trường hợp có thể
pittong cố định, xy lanh chuyển động.
Xy lanh được chia làm hai loại: xilanh lực và xilanh quay (hay còn gọi là xy
lanh mômen).
Xylanh lực gồm: xylanh tác dụng đơn và xy lanh tác dụng kép.
10


 Xy lanh tác dụng kép.
Nguyên lý làm việc:
−

Chất lỏng được nén sử dụng để sinh công ở hai phía của pittong.

−

Xy lanh có hai cửa cấp nguồn

−

Điều khiển hoạt động của xy lanh kép bằng van 2/2, 3/2, 4/2, 4/3.

Hình 2-4. Xy lanh tác dụng kép
2.4.3. Các loại van.
Van là phần tử phổ biến trong truyền động thủy lực. Nhờ phối hợp hợp lý các loại van
trong hệ thống truyền động thủy lực, chúng ta có thể tạo nên được chế độ làm việc ổn
định của truyền động theo ý muốn. Ta thường sử dụng các loại van sau trong hệ
thống :
− Van một chiều
− Van đảo chiều
− Van an toàn
− Van giảm áp.
− Van tiết lưu.
a) Van một chiều.
- Van một chiều được dùng để giữ cho chất lỏng chỉ chảy theo một chiều.
- Cấu tạo của van một chiều gồm : vỏ, nắp van và lò xo giữ nắp van.
Có các loại nắp van :
+ Loại bi cầu
+ Loại hình nón (côn)
+ Loại piston.
Khi mở, van một chiều phải có sức cản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng (ít tổn
thất năng lượng). Vì vậy lực lò xo của van phải thật nhỏ, chỉ cần đủ để ép nắp van vào
đế van và thắng được sức cản ma sát giữa piston và vỏ (nắp van loại piston).
11

- Loại van một chiều bi, côn : có kết cấu đơn giản, ít sức cản nhưng khó đóng khít (vì
khi đóng không có thành dẫn hướng nên dễ lệch tâm) gây nên rò rỉ chất lỏng.
- Van một chiều piston: đóng khít hơn vì khi đóng có thành xilanh dẫn hướng. Nhưng
vì có ma sát giữa piston và xilanh nên ứng lực lò xo giữ piston phải lớn hơn, do đó gây
tổn thất thủy lực nhiều hơn. Vì vậy loại van một chiều piston thường được dùng trong
hệ thống khi cần thoát một lưu lượng lớn và áp suất làm việc cao.

2
5
1

4

2

b

1

3

a

a)

b)

c)

Hình 2-5. Các loại van một chiều.
1- Vỏ van; 2- Lò xo giữ nắp van; 3- Nắp van; 4- Đế van; 5- Piston.
b) Van đảo chiều tác động điện (Van solenoid).

Hình 2-6. Van solenoid
1,2. Cuộn dây của nam châm điện ;3,6. Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ ; 4, 5. Lò xo.
c) Van tiết lưu.
Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dầu, và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấu
chấp hành trong hệ thống thủy lực.
Van tiết lưu có hai loại: tiết lưu cố định và tiết lưu thay đổi được lưu lượng.

12


a,

b,

Hình 2-7. Tiết lưu
a) Tiết lưu cố định. b) Tiết lưu thay đổi được lưu lượng.
Van tiết lưu có thể đặt ở đường dầu vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành:

Hình 2-8. Các cách mắc tiết lưu.
a) Tiết lưu mắc ở đường dầu vào.

b) Tiết lưu mắc ở đường dầu ra.

2.4.4. Thùng chứa chất lỏng.
Chức năng:

Thùng chứa chất lỏng có các chức năng chính sau:
- Cung cấp chất lỏng cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận chất lỏng
chảy về)
- Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc của chất lỏng (chủ yếu do bơm dầu tạo
ra)
- Lắng đọng các chất cặn bã trong quá trình làm việc.
- Tách nước.
Yêu cầu:
Thùng chứa chất lỏng trong hệ thống truyền động thủy lực cần đảm bảo đủ lượng
dầu làm việc trong hệ thống, đảm bảo lọc sạch và làm nguội tốt.
13


Đối với các hệ thống truyền động thủy lực có một xilanh tác dụng đơn, ta thường
làm thể tích của thùng gấp 5 ÷ 6 lần thể tích của xilanh lực. Thường thể tích của thùng
được tính theo thể tích chất lỏng chứa trong hệ thống (trong động cơ thủy lực, trong
lưới ống, trong bình tích năng,…), lượng dầu mất mát do rò rỉ trong quá trình làm
việc. Nhiều khi để nâng cao hiệu suất và giảm tiếng ổn của bơm, người ta đặt bơm
ngập vào chất lỏng trong thùng dầu. Thể tích phần không khí trên mặt thoáng của
thùng nên để khoảng 10 ÷ 15% thể tích thùng.
Có hai loại thùng: kín và hở. Trong điều kiện có thể nên làm thùng kín và tăng áp
suất trên mặt thoáng của chất lỏng trong thùng để nâng cao khả năng chịu tải của máy.
Về cơ bản thùng chứa dầu và nguồn cung cấp năng lượng cho chất lỏng được bố trí
như trong hình sau.
Thùng chứa dầu được ngăn làm hai ngăn bởi một màng lọc 5. Khi khởi động
động cơ 1, kéo bơm dầu làm việc, dầu được hút lên qua bộ lọc 3 cấp cho hệ thống, dầu
xả về được cho vào một ngăn khác.
Dầu thuờng đổ vào thùng qua cửa 8 bố trí trên nắp bể lọc và ống xả 9 được đặt
vào gần sát thùng chứa. Có thể kiểm tra mức dầu trong thùng nhờ mắt dầu 7. Nhờ các
màng lọc và bộ lọc, dầu cung cấp cho hệ thống đảm bảo được sạch. Sau một thời gian

làm việc định kỳ thì bộ lọc phải được tháo ra rửa sạch hoặc thay mới.
Kết cấu của thùng chứa chất lỏng:

Hình 2-9. Kết cấu thùng chứa chất lỏng.
1- Động cơ dẫn động bơm; 2- Ống đẩy; 3- Bộ lọc; 4- Ngăn hút; 5- Vách ngăn;
6- Ngăn xả; 7- Mắt dầu; 8- Nắp thúng dầu; 9- Ống xả dầu về.
2.4.5. Bộ lọc dầu.
Nhiệm vụ:Trong quá trình làm việc dầu không thể tránh khỏi bị nhiễm bẩn do
các chất bẩn từ bên ngoài xâm nhập vào hoặc bo tự bản thân dầu tạo ra. Những chất
bẩn ấy sẽ làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ trong các cơ cấu ép,
14


gây trở ngại, hư hỏng trong hệ thống. Vì vậy người ta lắp các bộ lọc vào trong các hệ
thống truyền động thủy lực để lọc các cặn bẩn của dầu, bảo đảm cho hệ thống làm việc
bình thường.
Cách lắp bộ lọc trong hệ thống:
Chúng ta có thể lắp các bộ lọc vào hệ thống ở trên đường hút, đuờng nén hay
đường xả. Nhưng khi lắp các bộ lọc cần chú ý:
- Giảm sức cản tối thiểu của lọc đối với dòng chảy.
- Nên lắp bộ lọc trên đường ống chính.
2.3.6. Thiết bị đo áp suất và lưu lượng.
Thiết bị đo áp suất:
Để biết được áp suất làm việc của dòng chất lỏng trong hệ thống người ta sử
dụng các đồng hồ đo áp suất.
− Đo áp suất bằng áp kế lò xo:
Nguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của áp lực chất lỏng, lò xo bị biến dạng, qua
cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo làm kim quay
và chỉ giá trị ghi trên mặt đồng hồ.

A

B
A

B

Hình 2-10. Áp kế lò xo.
2.4.6. Động cơ 1 chiều:
a). Cấu tạo.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần
động.
Phần tĩnh hay stato hay còn 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 ngoài 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 còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các
cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
15


Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện
nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các
cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với
nhau.
• 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.
•

b). Các phương pháp điều khiển.
 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy
phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển ... Các thiết bị nguồn
này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động
Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động
cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm Lb khác không.
 Phương pháp thay đổi từ thông.
Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U= Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện
kích từ, thay đổi dòng 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.
 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng:
Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều,
có nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm ,Φ =
Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng [3].
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. Ứng với R f=0 ta có độ cứng tự nhiên β TN 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.
16


 Điều khiển tốc độ động cơ với thuật toán PID.

Thuật toán PID số
Bộ điều khiến PID số có hàm truyền dạng liên tục như sau:

Với : – hệ số tỉ lệ
– thời gian tích phân
– thời gian đạo hàm
– hệ số tích phân
– hệ số đạo hàm.
Từ biến đổi z ta có phương trình PID số như sau:

Viết lại G(z) ta có:

Đặt:

Ta có :

Từ đó, ta tính được tín hiệu điều khiến u(k) khi tín hiệu vào là e(k) như sau:

Hay:
Thuật toán PID rời rạc hóa.
Hàm truyền liên tục của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là e(t) và tín hiệu ra là tiến
hiệu điều khiển R(t):
Hàm truyền được viết lại như sau :
Hay:

Trong đó:
17


-

e(t) : sai số giữa giá trị đặt và giá trị đo, tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển.
R(t): tín hiệu điều khiển.

Sử dụng phương pháp rời rạc để tính vi phân và tích phân sau :
+ Khâu tích phân:
+ Khâu vi phân:
+ Khâu tỉ lệ:
• Xét bộ điều khiển chỉ có khâu tỷ lệ:
Sai số e(t) giữa các giá trị đặt và giá trị đo được tính toán, giá trị sai số này sau khi qua
hàm truyền sẽ quyết định giá trị của tín hiệu điều khiển R. Nếu độ lợi Gain là hằng số
K, thì ta sẽ có.

R = drive
R(t) = K*e(t)

e = error
Hình 2-11. Bộ điều khiển chỉ có khâu tỉ lệ.
Giá trị R sẽ tỉ lệ tuyến tính với sai số e: R(t) = Kp * e(t) và Kp được gọi là hệ số độ lợi.

Đặt

k=0.
8

Sai số xác lập

k=0.
6

k=0.
k=0.
4
2
Thời gian

Hình 2-12. Các giá trị khác nhau của KP.
Như vậy với bộ điều khiển với khâu hiệu chỉnh p, đáp ứng của hệ thống sẽ luôn có sai
số xác lập.
Rời rạc hóa gần đúng, ta có: R(t) = Kp * e(t) => Rn = Rn-1 +Kp * (en – en-1).
Nếu sai số giảm dần về 0, sẽ không có tín hiệu lái Motor, do đó sai số có thể không
bao giờ về 0.
18


•

Với bộ điều khiển chỉ có khâu độ lợi Kp:

Đáp ứng của hệ thống sẽ không được như mong muốn, để cải thiện đáp ứng của hệ
ta xét bộ hiệu chỉnh với 3 thông số: khâu độ lợi, khâu tích phân và khâu vi phân.
Với 3 khâu hiệu chỉnh trên chúng ta có thế điều chỉnh đáp ứng của hệ thống : giảm
bớt thời gian xác lập, độ vọt lố, cũng như sai số xác lập.
•

Ảnh hưởng của khâu vi phân.

Hình 2-13. Ảnh hưởng của khâu vi phân
Khâu vi phân làm cho tốc độ đáp ứng thay đổi, thêm khâu này vào sẽ làm thời gian
xác lập tăng, nhưng sai số xác lập vẫn không thay đổi.
R(t) = Kp * ( e(t) + Td * de(t)/dt )
Rời rạc hóa và tính gần đúng:

•

Ảnh hưởng của khâu tích phân:

Hình 2-14. Ảnh hưởng của khâu tích phân
19


Khâu hiệu chỉnh Ki làm tăng độ vọt lố, giảm thời gian xác lập và làm cho sai số xác
lập dần về 0.
R(t) = Kp * ( e(t) + 1 /Ti * je(t)dt + Td * de(t)/dt )
Hàm truyền bộ điều khiến PID sau khi qua phép biến đối gần đúng.
Rn = Rn-1 + Kp * (en - en-i) + Ki * (en + en-i)/2 + Kd * (en – 2en-1 + en-2)
Trong đó:
-

Rn : Tín hiệu điều khiển hiện tại.

-

Rn-1: Tín hiệu điều khiển trước đó.

-

en: Sai số tính được tại thời điểm n.

-

en- 1 : Sai số tại thời điểm n-1.
en- 2: Sai số tại thời điểm n-2.

-

Đây là thuật toán điều khiến PID đã được biến đối, đưa ra phương pháp tính toán gần
đúng các khâu hiệu chỉnh vi phân và tích phân. Với các phương pháp này, chúng ta có
thể dễ dàng thực hiện thuật toán PID trên máy tính hoặc vi điều khiển mà không còn
gặp khó khăn trong việc tính toán tích phân và vi phân nữa.
Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID.
Việc lựa chọn các thông số của PID có thể dựa vào phương pháp biểu đồ Bode,
phương pháp quỹ đạo nghiệm số, Simulink.... nhưng đòi hỏi phải biết hàm truyền đối
tượng.
Ziegler - Nichols đề xuất nguyên tắc để xác định hệ số K p, thời hằng Ti, thời hằng vi
phân Td dựa vào đặt tính quá độ của hệ thống điều chỉnh.
Có 2 phương pháp hiệu chỉnh và đều hướng tới đạt độ vọt lố khoảng 25%.
 Phương pháp thứ nhất:
Ở phương pháp này, bằng thực nghiệm ta tìm được đáp ứng quá độ của hệ thống với
đầu vào là bậc thang đơn vị. Nếu hệ thống không chứa các khâu tích phân hay nghiệm
phức liên hợp thì đường quá độ có hình dáng như hình chữ s.

Hình 2-15. Đáp ứng quá độ của hệ thống với đầu vào là bậc thang đơn vị.
Ziegler - Nichols đề xuất xác định Kp, Ti, Td.
Nguyên tắc hiệu chỉnh theo Ziegle - Nichols

20


Phương pháp

Kp

Ti

Td

P

T/L

∞

0

PI

0,9 T/L

3L

0

PID

1,2 T/L

2L

0,5L

Đáp ứng dạng trên thường đặc trưng cho lò nhiệt hay điều khiển mức, đáp ứng hệ kín
có vọt lố với hệ số đệm khoảng 0.2.
Thực tế cho thấy, bảng thông số trên không chính xác và thường dùng làm cơ sở cho
việc hiệu chỉnh. Khâu vi phân có thể gây ra mất ổn định, nên chọn Kp nhỏ hơn và Ti
lớn hơn.
• Phương pháp thứ 2.
Đầu tiên ta cho Ki và Kd = 0, thay đối Kp từ 0 tới giá trị giới hạn Kgh cho tới khi đầu
ra có dao động ổn định. Giá trị này tương đương với chu kỳ dao động Pgh- Các thông
số được chọn như bảng sau:
Hiệu chỉnh PID theo Ziegler - Nichols
Phương pháp
Kp
KI
Td
P

0,5Kgh

∞

0

PI

0,45Kg

h
0,6Kgh

1/1,2.Pg
h
0,5Pgh

0

PID

0,125Pgh

Ziegler - Nichols được sử dụng rộng rãi đế hiệu chỉnh PID các hệ thống điều khiến
quá trình, khi mà quá trình động không biết trước một cách chính xác. Nguyên tắc này
cũng được áp dụng với các đối tượng mà đặc tính động học của nó được biết trước.
Nếu hàm truyền đạt được biết trước, đáp ứng quá độ với hàm bậc thang có thế tính
được, hệ số khuếch đại giới hạn Kgh và chu kỳ Pgh cũng tính được. Như vậy sử dụng
các giá trị này có thế tính được Kp, Ti, Td.
2.4.7. MOSFET.
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với
Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều
so với BJT.Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có
nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có
trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
a). Cấu tạo MOSFET.
21

Hình 2-16. FET
Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N:
− G : Gate gọi là cực cổng.
− S : Source gọi là cực nguồn.
− D : Drain gọi là cực máng
b). Nguyên lý hoạt động.
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang
điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng để đảm bảo thời gian
đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng .
− Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dòng điện sẽ đi từ S
đến D
− Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển
đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh N
điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0.
c). Phân loại.
FET có hai loại chính là:
− FET điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối):
Junction field- effect transistor - viết tắt là JFET.
− FET có cực cửa cách điện: MOSFET
Chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng. Mỗi loại FET lại
được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P.
d). Ứng dụng.
22


FET có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử
dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường. Vì do đóng cắt nhanh làm cho
dòng điện biến thiên. Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều
khiển điện áp cao.

2.4.8. Atmega8.
a). Đặc điểm.
ATMega8 là một Vi Điều Khiển thuộc dòng Mega AVR của hãng ATMEL.
-

23 ngõ vào/ra khả trình.
Được đóng gói trong 28 chân kiêu vỏ PDIP.
CPU có kiến trúc RISC, có 130 lệnh, hầu hết chúng thực hiện chỉ trong một chu
kỳ xung clock.
32 thanh ghi đa dụng.
Tốc độ tối đa lên đến 16MIPS với thạch anh 16MHz.
Có 8KB bộ nhớ Flash lập trình ISP.
512Bytes EEPROM và 1KB SRAM
2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ so sánh o 1 bộ Timer/Counter 16 bit.
Điện áp hoạt động 2,7 - 5.5V.
Tần số hoạt - 0 - 8 MHz (ATmega8L).

Hình 2-17. Sơ đồ chân Atmega8.
b). Cấu trúc các Port xuất nhập.

23


Hình 2-18. Cấu trúc chân của AVR.
ATMega8 có 3 Port xuất nhập: PortB (có 8 bits), Porte (7 bits), PortD (có 8 Bits).
Mỗi một cổng của Vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx, PINx.
3 thanh ghi này sẽ phối hợp với nhau đế điều khiến hoạt động của cổng thành lối vào
sử dụng Pull-up...
Cấu trúc chân của AVR có thể phân biệt rõ chức năng (vào/ra), trạng thái (0/1) từ
đó ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR. Khác với 89xx là chỉ có 2 trạng thái

duy nhất (0 1). Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp
(dòng khoảng hàng chục mA) còn 89xx chỉ là vài uA .
Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi:
-

PORTx :giá trị tại từng chân (0 - 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi. Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx. Nếu
thanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá
trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị logic lên
bit 1 của thanh ghi này thì chân tương ứng của bit đó cũng có cùng mức logic. Khi
thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như
một thanh ghi điều khiến cổng. Cụ thế, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1
thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược
lại nếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích
hoạt, cống ở trạng thái tổng trở cao.
-

DDRx : thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân , vào hoặc là ra .

Đây là thanh ghi 8 bits (có thế đọc ghi) có chứ năng điều khiến hướng của cống (là lối
vào hay lối ra). Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nó
được cấu hình thành ngõ ra. Ngược lại nếu của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương
ứng của nó được thiết lập thành ngõ vào.

24


CHƯƠNG III. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống.

3.1.1. Các phương pháp điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống
truyền động thủy lực.
Các thông số cơ bản của truyền động thủy lực có chuyển động tịnh tiến là vận tốc
và lực đẩy pit-tông của xylanh lực, còn thông số cơ bản trong truyền động thủy lực có
chuyển động quay là tốc độ quay và rôto động cơ thủy lực. Từ nguyên lý của truyền
động thủy lực ta có thể điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành bằng cách thay đổi lưu
lượng dầu chảy qua nó theo hai phương pháp sau:
3.1.1.1. Phương pháp điều khiển vận tốc bằng tiết lưu.
a. Sơ đồ điều chỉnh.
Trong truyền dẫn thuỷ lực, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu được
sử dụng rất rộng rãi. Khác với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thể tích, trong
phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu bơm dầu có năng suất cố định, nên nó
luôn luôn đẩy vào hệ thống truyền dẫn một lưu lượng dầu không đổi. Van tiết lưu có
nhiệm vụ điều tiết lưu lượng để có những vận tốc điều chỉnh khác nhau. Lượng dầu
thừa do bơm đẩy lên không sử dụng hết lại chảy về bể.
Căn cứ vào áp lực làm việc của bơm, người ta chia thành:
- Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực làm việc của bơm
không đổi; pb = const.
25