THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN  ĐIỆN TỬ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG

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 tay

Hàn tiếp xúc

Hàn tự động

Dưới lớp
trợ dung

Hàn nối

Trong ga
bảo vệ

Một điểm hai
mặt

Hình 1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
1

Hàn đường

Hai điểm
một mặt


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: Uomin = (30÷40)V
- Điện cực than Uomin = (45÷55)V
Khi nguồn hàn là xoay chiều : Uomin = (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

I 

I n. m
1,2 1,4
I dm

(1-1)

Trong đó :

I : Bội số dòng điện ngắn mạch
In.m : Dòng điện ngắn mạch  A
Idm : 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 :
Ih =(40÷60).d

(1-2)

Trong đó :
Ih : 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
2


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 (ζ2)
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
Q1 = Q2

(1-3)

Trong đó :
Q1 = 0,24I2Rζ1 : Nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian là ζ1
Q2 = k(ζ1+ζ2) : Nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một
chu kì làm việc Tck = ζ1+ζ2
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 :
0,24I2Rζ1 = k(ζ1+ζ2)
I2

(1-4)

1
k


 1   2 0,24 R const

(1-5)

1

Trong đó : Tỉ số    được biểu diễn bằng hệ số TĐ% là hệ số tiếp điện

1
2
tương đối của nguồn hàn hồ quang
1

TĐ% =    . 100%
1
2
I2TĐ% = const

Vậy (1-5) trở thành :

(1-6)
(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 :
Idm = 300A ; TĐ% = 70%
Nếu cần dùng đối với I = 450A thì TĐ% là : I2TĐ% = I2TĐ%đm
2

 300 
Vậy TĐ% = 70% 
 31%
 450 
3


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

Wck
W1

a

W2

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài
Thay đổi khe hở trong mạch từ của cuộn kháng ngoài, có thể nhận được họ
đặc tính ngoài của máy biến áp hàn

4


- Khi không tải :
U0 = U2

(1-8)

Trong đó :
U0 : Điện áp không tải V 
U2 : Điện áp thứ cấp của máy biến áp V 
- Khi có tải :
U2 = Uhq + Uck

(1-9)

Trong đó :
Uhq : Điện áp xoay chiều
Uck : Điện áp rơi trên cuộn kháng
Uck = I2.rck + j.I2.xck  ω.L.I2

(1-10)

Vì rck rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Trong đó r ck là điện trở thuần của cuộn
kháng, xck là điện kháng của cuộn kháng. Trong quá trình làm việc, I2 tăng làm
cho Uck cũng tăng, điện áp hồ quang Uhq giảm. Khi dòng I2 tăng đến giá trị số
I2=In.m (In.m : Dòng điện ngắn mạch) thì điện áp hồ quang bằng không (Uhq=0)
Khi đó :
I2 = In.m =

U2
L

(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 In.m tăng lên. Với cách lập luận trên ta có được họ đặc tính ngoài trên
hình 1-3
U
U0

a1 < a2 < a3
a1

a2

a3
I

Inm1 Inm2

Inm3

Hình 1.3. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng
2. Biến áp hàn kiểu hỗn hợp
5


Loại máy biến áp này, mạch từ của cuộn kháng có quan hệ trực tiếp với

mạch từ chính

Wck

a

W1

W2

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 :
U0 = U2 + Uck

(1-12)

Khi thay đổi khe hở mạch từ a, Uck thay đổi nên U0 cũng thay đổi (U0=var)
- Khi có tải, điện áp rơi trên cuộn kháng và cuộn thứ cấp của máy hàn bằng
Ur = I2(x2 + xck)

(1-13)

Điện áp hồ quang bằng :
Uhq = U2 + Uck – Ur = U2 + Uck – I2(x2 + xck)

(1-14)

Khi dòng điện I2 tăng đến trị số I2 = Inm thì điện áp hồ quang bằng không
(Uhq = 0). Lúc này dòng điện ngắn mạch bằng :

U 2  U ck

Inm = x  x
2
ck

(1-15)

Tương ứng với các trị số khác nhau của khe hở mạch từ a, ta nhận được họ
đặc tính ngoài của máy biến áp hàn như hình 1.5

6


U
U01
U02
U03

a1 < a2 < a3

a1

a2

a3
I

Inm1 Inm2

Inm3

Hình 1.5. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp
3. Máy biến áp hàn có shunt từ
3

1. Mạch từ

1

2. Cuộn sơ cấp

4

3. Cuộn thứ cấp

2

4. 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)

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
7


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
Máy phát
hàn một chiều

Một
dầu
hàn

Nhiều
dầu
hàn

Đặt
cố
định

Di
động

Truyền

động
bằng
động
cơ điện

Truyền
động
bằng
động
cơ đốt
trong

Kích
từ
độc
lập

Kích
từ
song
song

Lắp
trong
một
vỏ

Lắp
trong
hai

vỏ

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)
U

VR
W1

F
W2

1

2
CM

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
thông Φ1 sinh ra trong cuộn W1 ngược chiều với từ thông Φ2 sinh ra trong cuộn
W2. Từ thông Φ2 tỉ lệ với dòng điện hàn
8


- Khi không tải, từ thông Φ2 = 0 và sức điện động của máy phát bằng :
E0 = KeΦω

(1-16)

Trong đó :
Ke : Hệ số cấu tạo của máy phát
Φ1 : Từ thông sinh ra trong cuộn W1
ω : Tốc độ quay của phần ứng
- Khi có tải :
Uhq = E – IRF = Ke(Φ1 – Φ2)ω – IRF

(1-17)

Trong đó :
RF : 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
W2 (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)
U

U
W21 > W22
1

Ikt1 < Ikt2 < Ikt3

2

1

2

3

I

I

Inm1 Inm2

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 W2. 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
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
9


phần ứng). Máy phát có hai cuộn kích từ ; cuộn kích từ chính W 1 và cuộn phụ
W2. Máy phát có 4 cực từ N1, N2, S1, S2, 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 :
UAC = Uhq

(1-18)

W1

VR

C

W2
A

F

Z

Hình 1.10. Máy phát một chiều có cực từ trễ
Điện áp Ucz 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 Фd và từ thông
ngang Фn, trên các chổi than xuất hiện điện áp
UAz=Cd.Фn và Ucz=CnФn

(1-19)

Sức điện động tổng của máy phát bằng
EAC = UAz + Ucz = CdФd+CnФn

(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 Фn và ngược chiều với từ thông dọc Фd. 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 W1. 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 W2
Khi có tải, do tác dụng khử từ của từ thông dọc Фd và do phản ứng phần
ứng nên điện áp UAZ sẽ giảm xuống
UAz = Cd(Фd – Фpư)
10

(1-21)


Trong đó :
Фpư : Từ thông do phản ứng phần ứng sinh ra
Điện áp Uzc hầu như không tăng vì không tăng vì mạch từ đã bảo hoà
Uzc=CnФn 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
UAC = UAZ + UZC = Cd(Фd – Фpư) + UZC – 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 Фpư tăng nhanh và lớn hơn từ thông dọc Фd, điện áp
UAZ ngược chiều với điện áp UZC và điện áp UAC = 0
UAC = Cn(Фn – Фpư) = CdФd – 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

Cầu
ba
pha

Dùng
xêlen

Dùng
điốt

Không
điều
khiển

Có
điều
khiển

Hình 1-11. Các loại nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu

11


CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN  ĐIỆN TỬ 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 :
U  Ru I u  Lu
Trong đó:
U - điện áp phần ứng
12

di
E
dt


Ru - điện trở mạch phần ứng
I u - dòng điện mạch phần ứng
Lu - điện cảm mạch phần ứng
E - sức điện động phần ứng
E  K .. 

pN
.
2 .a

(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

 - từ thông kích từ dưới một cực từ
 -tốc độ quay của động cơ
Dạng phương trình cân bằng điện áp khi chuyển sang toán tử Laplace
U  Ru I u  pLu .I u  E
 Iu 

(U  E ).1 / Ru
L
1  p. u
Ru

(U  E )

1 / Ru
1  p.Tu

(2)

- Phương trình mômen
+ Phương trình mômen điện từ
M dt  K.I u

(3)

+ Phương trình động học

M M c  J
Với

d
dt

M c - 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 c  J .p.


M  Mc
1  Jp

(4)
(5)

+ T ừ các phương trình (1); (2); (3); (4); (5) ta có sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một
chiều :

13


Ud

 E

M

1 / Ru
1  pTu

K .

 Mc

1
Jp



K .
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
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, Tv0=

1
trên hình (H.3.4)
2f

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  pTv 0 =

1
1  pTbd

Trong đó ; Tbd 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

14


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
K1 là hệ số tỷ lệ ta có hàm truyền của cơ cấu đo là :
Wcbi  p  =

Ki
U *  p

=
1  pTi
U  p

Trong đó :
K : là hệ hệ số tỷ lệ
Ti = 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)
Vị trí đĩa
0
1
2
3
4
5
6

7

Mã nhị phân
B1
B2
B3
0
0
0
0
1
1
1
1

0
0
1
1
0
0
1
1

15

0
1
0
1

0
1
0
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 :
Wcbω =

1
1  pT

T  : 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 :
Wcb  =

1
1  pT

Trong đó : T  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

16


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
Wp (P) =Kp
Trong đó : Kp 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 :
WI(p) =Ki.

1
p

Trong đó : Ki 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 :
WD(p) =KD.

1
p

Trong đó : KD 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
17


Mô hình toán của bộ điều chỉnh PI là :
1
WPI =Kp + Ki p
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 :
Wp(p) =Kp+KD.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 : -



< φ(ω)<
2
2

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 :
1
WPID= Kp+ Ki P +KDP
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 :

18


1 P.s  I i
WRi(P) =Pi+ Ii. =
s
s
Mô hình toán bộ điều chỉnh tốc độ :
1 P.s  I
WRω(P) =P+ I. =
s
s
Mô hình toán bộ điều chỉnh vị trí :
WRv(P) = Pv + Dv.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

 MC

 E

U id

K

1
Jp

K
I

1 / Ru
1  Tu . p

Ri
 Ui

Ki
1  Ti . p
H.Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

- Trong đó :
Ri - Bộ điều chỉnh dòng điện
K cl

- Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
(1  Tdk . p )(1  Tv p )
Với K cl - Hệ số khuếch đại chỉnh lưu
Tdk - Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh
- Sơ đồ thu gọn
U id

Ri

S 0i

_
H. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng dòng điện
- Trong đó :
S 0i - Hàm truyền đối tượng

19

I


S 0i 

K cl .K i .1 / Ru
(1  Tdk p)(1  Tv p )(1  Ti p)(1  Tu p )

Do Tdk ; Tv ; Ti là các hằng số thời gian rất nhỏ nên ta đặt Tsi Tdk  Tv  Ti
Nên ta có:
S 0i 

K cl .K i .1 / Ru
(1  Tsi p )(1  Tu p)

Ri .S 0i
Hàm truyền kín của hệ thống : F 
1  Ri S 0i
Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có :
1
F  FMC 
1  2 . p  2 2 . p 2
 Ri 

1
S 0i ( F

1

MC

 1)

Thay các giá trị S 0i ; FMC vào ta có :
Ri 

Ru .(1  Tsi p)(1  Tu )
K cl .K i .2 . p(1   . p )

- Chọn  Tsi
 Ri 

Ru .(1  pTu )
K cl .K i .2Tsi . p

Như vậy bộ điều khiển dòng ta chọn là bộ PI : Bộ tỉ lệ tích phân
1
Hàm truyền của hệ kín : FKi 
(đã bỏ qua thành phần bậc cao Tsi2p2)
1  2Tsi p
* Tính chọn bộ điều khiển dòng
- Tốc độ góc của rôto :  dm 
- Mômen :

M dm 

- Dòng điện : I dm 

ndm 1500

157(rad / s )
9,55 9,55

Pdm 15000

95.5( Nm)
 dm
157

Pdm 15000

68.2( A)

U dm
220
 K 

M dm
1,4
I dm

- Điện trở mạch phần ứng
Ru 0,5.(1   dm ).

U dm
220
0,5.(1  0,9).
0,16()
I dm
68,2
20


- Hằng số thời gian mạch phần ứng
Tu 

Lu
1,25( s )
Ru

- Hằng số cơ học của động cơ:
Tc 

JRu
4.0,16

0,327 ( s )
2
( K )
(1,4) 2

U d 10(V )

Chọn

- Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
K cl 

U dm
22
Ud

Chọn U id 7(V )
- Hệ số khuếch đại của biến dòng
Ki 

U id
0,102
I dm

Tsi Ti  Tv  Tdk 0,005( s )

- Tính :

Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện :
Ri 

Ru .(1  pTu )
0,16.(1  1.,25. p )
1

5,7.(1 
)
K cl .K i .2Tsi . p 2.0,102.22.0,005. p
1,25. p

b. Tổng hợp mạch vòng tốc độ

U d

R
 U i

U id
_

Ri

S 0i

I

1

Ki

Ru
K.Tc p



K
1 T p
Hình. Sơ đồ mạch vòng tốc độ

- Trong đó :
Tc 

Ru .J
: hằng số thời gian cơ học
( K ) 2

- Kết quả khi tổng hợp bộ điều khiển dòng điện theo tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có hàm
truyền :

21


1
F
1  2Tsi p  2T 2 si p 2
- Do Tsi : là hằng số thời gian rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua thành phần bậc cao
1
Khi đó : F 

1  2Tsi p
Nếu đặt : S 0 

K  Ru .1 / K i
KTc p (1  T p )(1  2Tsi p)

- Do T ; Tsi là các hằng số thời gian nhỏ nên ta đặt Ts 2Tsi  T
Nên : S 0 

K  Ru .1 / K i
KTc p (1  Ts p )

Ta có sơ đồ thu gọn :

U d

R ( p)

S 0 ( p )

 U
Hình : sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ
- Hàm truyền của hệ thống :
R ( p ).S 0 ( p )
F ( p)  
1  R ( p ).S 0 ( p )
- Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu
F ( p )  FMC ( p )
Và

1
FMC ( p ) 
1  2 . p  2 2 p 2
 R ( p) 

1
S 0 ( p )[ F  1 MC  1]

K.Tc
R ( p ) 
1 / K i .K  .Ru .2Ts
Bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ P
- Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng

22




1  4 . p
Fdx 
1  4 . p  8 2 p 2  8 3 p 3
1
 R 
1
S 0 Fdx  1





Thay các giá trị vào và ta chọn  Ts ta có :
R 

1  4Ts . p
Ru .K 
.8.Ts2 . p
K i . K Tc

Bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ, tích phân PI
* Do đó ta chọn theo phương pháp tổng hợp theo modul tối ưu đối xứng
* Tính chọn bộ điều khiển tốc độ
Chọn U d 10(V )
- Hệ số khuếch đại của máy phát tốc : K  

U d
0,064


Ts 2Tsi  T 0,012( s )

- Tính :

Bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :
R 

1  4Ts . p
1  4.0,012. p
1  0,048. p



Ru .K 
0,16.0,064
0.00025263 . p
.8.Ts2 . p 2
.8.0,012 2. p
K i . K Tc
0,102.1,4.0,327

c. Tổng hợp mạch vòng vị trí
Uφd

Uωd

Uω

Rφ

φ

S 0

Rω
(-)

(-)

K
1  T . p
Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí

Trong đó : S 0 - Đối tượng điều khiển của mạch vòng tốc độ
S 0 

K  Ru .1 / K i
KTc p (1  Ts p)

R - Bộ điều khiển tốc độ
23

Kr
p


+ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu :
K.Tc
R 
1 / K i .K  .Ru .2Ts
 Hàm truyền của mạch vòng tốc độ khi bỏ qua thành bậc cao
F

 ( p)
1
1

.
 d ( p ) 1  2Ts p K 

+ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :
R 

1  4Ts . p
Ru .K 
.8.Ts2 . p
K i . K Tc

 Hàm truyền của mạch vòng tốc độ khi bỏ qua thành phần bậc cao
F

 ( p)
1
1

.
 d ( p ) 1  4Ts p K 

1
K r - Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực : K r 
i
K  - Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí
Uφd

Uφ

Rφ

φ

S0φ

(-)

Hình. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng vị trí
+ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu
Ta có: S 0 

K r K / K
(1  2Ts p ).(1  T p ). p

Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta tổng hợp mạch vòng vị trí :
1
- Ta có : FMC 
1  2 . p  2 2 p 2

1
Mà ta lại có: R 
1
S 0 ( FMC
 1)
Chọn  T ta có : R 

1
K r .K  / K 
p.(1  2Ts p).(1  T p )

.2 . p (1   . p )

K
.(1  2Ts p)
2T .K r K 

Vậy bộ điều khiển vị trí là khâu tỉ lệ vi phân PD
+ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng

24


Ta có : S 0 

K r K / K
(1  4Ts p).(1  T p ). p

Áp dụng theo tiêu chuẩn môdul tối ưu ta tổng hợp bộ điều khiển vị trí:
1
FMC 
1  2 . p  2 2 p 2

1
Mà ta lại có: R 
1
S 0 ( FMC  1)
Chọn  T ta có : R 

1
K r .K  / K 
p.(1  4Ts p).(1  T p )

.2 . p (1   . p )

K
.(1  4Ts p )

2T .K r K 

Vậy bộ điều khiển vị trí là khâu tỉ lệ vi phân PD
 Do đó chọn bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn modul đối xứng
* Tính chọn bộ điều khiển vị trí
- Chiều dài quãng đường cần di chuyển : l  .r 100(m)
l 100
 
100 (rad )
r 0.32
- Hệ số khuếch đại của bộ cảm biến vị trí :
Chọn Uφ d = 10(V)
10
 K 
0.032
100
- Hệ số khuếch đại của bộ truyền thuỷ lực : K r 


100

1
.t 157.2

- Bộ điều chỉnh vị trí điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :
R 

K
.(1  4Ts p )
2T .K r K 

R 3.331  0.048 p 
d. Sơ đồ mô phỏng và dạng tín hiệu ra

25