Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ HỆ THỦY LỰC.

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ HỆ THỦY LỰC.

Tải bản đầy đủ

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