MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bởi máy tính
hoặc PLC là hệ điều khiển truyền động thông minh có nhiều ưu điểm so với những hệ
thống kinh điển, nó đã và đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều máy công nghiệp.
Hiện tại những hệ thống truyền động cũ cũng đang được thay thế bằng hệ truyền động
này. Hơn nữa ở phòng thí nghiệm của trường được trang bị một mô hình thí nghiệm hệ
truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển bằng PLC S7-300. Với ưu
điểm của hệ mới này kết hợp với việc thí nghiệm thuận lợi nên đề tài luận văn được
chọn là: “Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần - động
cơ điện xoay chiều để ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy gia công
tia lửa điện”
Với cách đặt vấn đề trên kết quả đề tài luận văn vừa có tính lý thuyết vừa kết
hợp được thực nghiệm sẽ làm cho bản luận văn có tính khoa học và tính thực tiễn cao.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Để thực hiện đầy đủ mục tiêu của luận văn đề ra bản luận văn được thực hiện
với các mục tiêu như sau:
• Về mặt lý thuyết:
- Trình bày tổng quan về sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều
điều khiển bằng PLC S7-300 giúp cho việc tính toán khảo sát.
- Khảo sát tính toán đánh giá chất lượng của hệ thống để có nhận xét sơ bộ về hệ
truyền động.
• Về mặt thực nghiệm
- Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm
- Tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực của nhà trường với các chế độ và thông
số khác nhau để so sánh đánh giá chất lượng với lý thuyết.
- Đề xuất ứng dụng hệ truyền động này vào thực tế.
3. Nội dung luận văn
Với mục tiêu đặt ra, luận văn bao gồm các chương sau:
Chương I: Tổng quan về hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển
bằng PLC S7-300.

M
m
=
ks
x
U
ω
2
3
2
1
=
2
1
1
2
11
2
1
8
3
2 2.2
.3








- Phương pháp thay đổi tần số nhưng giữ nguyên điện áp có dạng đặc tính:
Hình1.2a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi
- Phương pháp vừa điều chỉnh tần số vừa điều chỉnh điện áp, U/f = const có
dạng đặc tính:
Hình1.2b. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp (U/f =const)
4
Hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ người ta dùng biến tần điều khiển tần số
tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn. Vì vậy, hệ thống biến tần động cơ
điện xoay chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
I.2 Biến tần
Biến tần hay còn gọi là nghịch lưu là thiết bị dùng để biến đổi điện áp hay
dòng điện một chiều thành điện áp xoay chiều ở tần số khác nhau. Biến tần có thể là
một pha hay ba pha. Hiện tại biến tần có nhiều hãng sản suất, biến tần có hai khối chủ
yếu là: khối động lực và khối điều khiển.
I.2.1 Khối động lực
Khối động lực của biến tần có thể dùng các linh kiện bán dẫn Thyristor hoặc
Tranzitor công suất. Biến tần được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ, thông
thường là biến tần nguồn áp, với linh kiện là tranzitor công suất, sơ đồ mạch động lực
như hình vẽ.
Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha
Trong sơ đồ này các tranzitor T
1
÷ T
6
làm nhiệm vụ nghịch lưu, diot D
1
÷ D
6
làm nhiệm vụ chỉnh lưu để trả năng lượng của phụ tải cho nguồn (ví dụ khi hãm tái
sinh). Với sơ đồ nghịch lưu trên dựa vào tính chất của điện áp ba pha xoay chiều,

, i
B
, i
C
). Cách biểu diễn này không thuận
tiện vì mỗi vectơ được biểu diễn bởi ba tọa độ. Park đã đưa ra phép biến đổi cho phép
biến đổi hệ tọa độ bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn các vectơ
theo cách con người có thể nhìn nhận được một cách thông thường.
Theo phương pháp biến đổi Park, một hệ thống ba pha bất kỳ, điện áp hay dòng
điện, biểu diễn qua một vectơ trên mặt phẳng tọa độ
αβ
0
như sau:
( )
CBA
uaauuu
2
3
2
++=
Trong đó,
2
3
2
1
2
3
2
ja
e

2
cos(
π
ω
+= tUu
m
C
Thì u = U
m
e
j(
t
ω
)

, nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0
αβ
, u là một vectơ có độ dài
bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng
ω
.
I.2.3.2. Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn
Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.3 các van điều khiển phải được tuân
theo các quy luật nhất định, đó là không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào,
không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra.
Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng lớn phá
hủy van. Khi van điều khiển không nối một pha đầu ra nào đó với thanh dẫn (+) hoặc
(-) của nguồn một chiều, dòng có thể vẫn phải chạy qua các điôt, dẫn đến điện áp ra
phụ thuộc vào tải, nghịch lưu không còn là nghịch lưu áp như mong muốn. Do những
quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được biểu diễn trong bảng dưới

6
, T
1,
T
2
2/3E -1/3E -1/3E
π
j
Ee
−
3
2
3 T
1
, T
2,
T
3
1/3E 1/3E -2/3E
3
3
2
π
j
Ee
4 T
2
, T
3,
T

2
3
2
π
j
Ee
−
7 T
2
, T
4,
T
6
0 0 0 0
Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính toán vectơ
không gian u, có thể thấy rằng các trạng thái van từ 1 đến 6 ứng với 6 vectơ, có hướng
cố định trên mặt phẳng, lệch nhau một góc 60
o
, được biểu diễn trên hệ tọa độ 0
αβ
,
như trên hình 1.4. Các vectơ gọi là vectơ biên chuẩn, tạo nên đỉnh của một lục giác
7
đều, chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau, gọi là các vectơ, được đánh số từ I đến
VI.
I.2.3.3.Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên
Một vectơ không gian bất kì, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể
được tổng hợp từ hai vectơ biên. Trên hình1.4, giả sử vectơ không gian u nằm trong
góc phần sáu thứ I, có thể được thể được tổng hợp từ hai vectơ biên u
1,

uu
uu
t
p
=






−=
(1)
θ
là góc chỉ vị trí tương đối của vectơ u trong góc phần sáu. Thực chất, phép
điều chế vectơ không gian tạo ra các vectơ u
p
, u
t
trong mỗi chu kỳ tính toán, hay còn
gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu T
s
. Độ dài của các vector này được xác định bởi giá trị trung
bình theo thời gian tồn tại của các vector u
1
, u
2
trong mỗi chu ký T
s
như sau:

sin
3
2






−=
θ
π
i
o
sp
U
U
Tt
θ
sin
3
2
i
o
st
U
U
Tt =
(3)
Đặt

2
qTt
st
=
(4)
Điều kiện: t
p
+ t
t

≤
T
s
Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t
0
= T
s
–(t
p
+ t
t
), phải áp dụng
vector không. Điều kiện trên nói lên rằng vector điện áp ra phải nằm trong vòng tròn
tiếp xúc với các cạnh của lục giác đều như biểu diễn trên hình 1.4 ở trên.
I.3 Giới thiệu PLC S7-300
PLC step S7-300 thuộc họ Simatis do hãng Simen sản xuất.
I.3.1 Giới thiệu về PLC
PLC là từ viết tắt của cụm từ “Programmable Logic Controller”: Bộ điều khiển
logic có thể lập trình (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Thực tế trong sản suất PLC là một máy tính

Hình 1.6: Hoạt động của khối số học
Khối số học chứa hai thanh ghi tích lũy ACCCU1 và ACCU2. Các thanh ghi
này có thể xử lí các phép toán theo byte hoặc từ. Thanh ghi tích lũy là thanh ghi 16 bit
được chia thành byte thấp và byte cao.
• Bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình trên RAM ra để thực hiện
một cách tuần tự. Theo chương trình nó xử lý các thông tin được lấy ra từ bảng PIQ
• Bus vào ra
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông
qua bus vào ra ngoài. Một bus gồm nhiều đường tín hiệu song song và được nối với
nhiều bộ phận khác. Hệ thống bus được chia thành 3 loại:
- Bus địa chỉ: Tín hiệu chỉ truyền theo một chiều từ CPU (hoặc từ thiết bị
điều khiển trực tiếp - DMAC) tới bộ nhớ hoặc cửa vào ra.
- Bus số liệu: Tín hiệu trên đó truyền theo hai chiều.
- Bus các tín hiệu điều khiển: Gồm một số là tín hiệu gửi từ CPU ra còn
một số lại là tín hiệu từ ngoài vào CPU.
* Nguyên lý hoạt động
PLC làm việc theo nguyên tắc các chu kì lặp tự động mỗi chu kì lặp được gọi là
một vòng quét. Mỗi vòng quét có một lần nhận dữ liệu vào và đưa kết quả ra bên
ngoài. Khi hết vòng quét thứ nhất thì tự động chuyển sang vòng quét thứ hai và cứ tiếp
tục như vậy, trong một vòng quét thực hiện bốn bước.
• Bước 1: Nhận dữ liệu đầu vào và ghi lại bảng ảnh vào.
• Bước 2: Đọc chương trình điều khiển trên cơ sở dữ liệu vào đã có xử lý theo
chương trình được kết quả ghi lại bảng ảnh ra.
• Bước 3: Thực hiện truyền thông trong PLC hoặc các PLC với nhau cũng như
thông tin qua lại với máy tính, từ đó kiểm nghiệm lại kết quả.
• Bước 4: Gửi kết quả từ bảng ảnh ra đến thiết bị chấp hành bên ngoài
Như vậy để thực hiện một chu kì quét thì mất một khoảng thời gian, thời gian
này càng nhỏ càng tốt nhưng phụ thuộc vào tốc độ xử lý của mỗi loại vi xử lý nằm
11

• AI/AO: (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương
tự.
+ IM (Intuface module): Module ghép nối
+ FM (Function module) Module có chức năng điều khiển riêng.
+ CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông tin trên mạng giữa các
PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
I.3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU
* Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình chia làm ba miền:
12
• OB (Organiration block): Miền chứa chương trình tổ chức.
• FC(Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến
hình thức để trao đổi data với trương trình đã gọi nó.
• FB (Function block):Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và
có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các data này
phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là (DB- Data block).
* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng
Vùng này được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:
• I (Process image input): Miền bộ đệm các data cổng vào số.
• Q(Process image output): Miền bộ đệm các data cổng ra số.
• M: Miền các cờ
• T(Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian.
• C(Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm.
• PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O external input).
• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cuả các module tương tự (I/O external output).
Vùng chứa các khối dữ liệu được chia làm 2 loại:
• DB (Data block) Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối.
• Local data bock: Miền dữ liệu địa phương
I.3.2.3 Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển từ các cổng vào số tới

• Loại khối FB (Function block): Là loại khối đặc biệt có khả năng trao
đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác.
• Loại DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện
chương trình. Các tham số của khối do người dùng tự đặt. Một chương
trình ứng dụng có thể có nhiều khối OB, các nhóm OB này được phân
biệt với nhau bằng một số nguyên nhóm kí tự. Khối OB1 luôn dược
nhóm PLC quét và thực hiện các lệnh từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối
cùng và quay lại lệnh đầu tiên.
I.3.2.5. Ngôn ngữ lập trình của S7-300
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các
đối tượng khác nhau. PLC có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:
- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, kí hiệu là STL (Statement list)
- Ngôn ngữ “hình thang” kí hiệu là LAD (Ladder logic)
- Ngôn ngữ “hình khối” kí hiệu là FBD(Funtion block diagram)
Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL
nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh mà trong LAD hoặc FBD không
có.
I.3.3. Các lệnh và biểu diễn số trong chương trình
Ngôn ngữ PLC S7-300 được trang bị những công cụ toán học mạnh giúp cho
những ứng dụng và phát triển chương trình điều khiển mềm dẻo và dễ dàng.
I.3.3.1. Biểu diễn số thực
Do dữ liệu sử dụng là số thực nên ở đây chỉ đưa ra cách biểu diễn số thực trong
các ô nhớ. Số thực luôn bược biểu diễn thành dãy 32 bits
s(1 bit) e(8bit) f(32bit)
* Bit s là bit dấu (s = 0 số dương, s = 1 số âm)
* Phần e chỉ số mũ
* Phần f: phần hệ số. F = b
0
.2
-1

quả vào một thanh ghi đặc biệt 16 bits gọi là thanh ghi trạng thái, nhưng chỉ sử dụng 9
bits.
BR CC1 CC0 OV OS OR STA RLO FC
- FC: Khi thực hiện dẫy lệnh logic liên tiếp, FC có giá trị 1. FC = 0 khi dãy lệnh kết
thúc.
- RLO: Kết quả tức thời của phép tính logic vừa thực hiện.
- STA: Bit trạng thái này luôn có giá trị logic tiếp điểm được chỉ định trong lệnh.
- OR: Ghi lại giá trị phép tính logic hoặc cuối cùng được thực hiện để giúp cho việc
thực hiện phép tính và sau đó.
- OS: Ghi lại giá trị bit bị tràn ra ngoài giá trị bảng ô nhớ.
- CC0 và CC1: Hai bit báo trạng thái kết quả phép tính với số nguyên, số thực, phép
dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU.
CC1 CC0 Ý nghĩa
0
0
1
0
1
0
Kết quả bằng 0
Kết quả nhỏ hơn 0
Kêt quả lớn hơn 0
Khi thực hiện lệnh toán học như cộng, trừ, nhân, chia với số thực, số nguyên.
* Các lệnh logic tiếp điểm
+ Lệnh gán
Cú pháp = <toán hạng>
Toán hạng là địa chỉ bit I,Q,M, L,D.
16
Lệnh gán giá trị logic của RLOtới ô nhớ có địa chỉ trong toán hạng.
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC

Cú pháp: ON <Toán hạng>
Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C.
Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO. Khi FC=1 nó thực
hiện phép tính hoặc giữa RLO với giá trị nghịch đảo của toán hạng và ghi kết quả vào
RLO.
Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC
- - - - - 0 x x 1
+ Lệnh gán có điều kiện giá trị logic 1 vào ô nhớ
Cú pháp: S <Toán hạng>
Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D.
Nếu RL0 = 1, lệnh sẽ gán 1 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng.
Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC
- - - - - 0 x - 1
+ Lệnh gán có điều kiện giá trị logic 0 vào ô nhớ
Cú pháp: R <Toán hạng>
Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D.
Nếu RLD = 1 lệnh sẽ gán giá trị 0 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng
Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC
- - - - - 0 x - 1
* Các lệnh làm việc với thanh ghi ACCU1, ACCU2:
Mọi phép tính trên số thực, số nguyên, các phép tín với mảng nhiều bit đều thực
hiện trên hai thanh ghi này.
+ Lệnh đọc vào ACCU
18
Cú pháp: L <Toán hạng>
Toán hạng là số nguyên, số thực, nhị ohaan hoặc địa chỉ.
Ví dụ: Toán hạng là địa chỉ một từ kép: ID, QM, MD, DBD, DID trong khoảng

19
Lệnh không có toán hạng. Thực hiện cộng hai số thực phẩy động nằm trong hai
thanh ghi Accu1 và Accu2, kết quả được ghi vào Accu1, nội dung thanh ghi Accu2
không thay đổi.
+ Lệnh trừ: -R
Lệnh không có toán hạng. Thực hiện trừ hai số thực phẩy động nằm trong thanh
ghi Accu2 cho số thực phẩy động nằm trong thanh ghi Accu1, kết quả ghi vào thanh
ghi Accu1. Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi.
+ Lệnh nhân: *R
Lệnh không có toán hạng. Thực hiện nhân hai số thực phẩy động nằm trong hai
thanh ghi Accu1 và Accu2, kết quả ghi vào thanh ghi Accu1. Nội dung thanh ghi
Accu2 không thay đổi.
+ Lệnh chia: /R
Lệnh không có toán hạng. Thực hiện chia hai số thực nằm trong thanh ghi
Accu2 cho số thực trong Accu2, kết quả ghi vào thanh ghi Accu1. Nội dung thanh ghi
Accu2 không thay đổi.
* Các lệnh điều khiển chương trình
- Lệnh rẽ nhánh khi RLO = 1
Cú pháp: JC <nhãn>
Lệnh này tác động đến thanh ghi trạng thái như sau:
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC
- - - - - 0 1 1 0
- Lệnh rẽ nhánh khi RLO = 0
Cú pháp JNC <nhãn>
Lệnh này tác động đến thanh ghi trạng thái như sau:
BR CC1 CC0 OV OS OR STA ROL FC
- - - - - 0 1 1 0
- Lệnh rẽ nhánh khi CC1 = 0, CC0 = 1
Cú pháp : JM <nhãn>
Trong sơ đồ khối hệ truyền động hình1.1 người ta dùng bộ điều khiển số PID

ωω
cos.
0
=
. Là điện áp xoay chiều, biên độ và tần ssoos của nó tỉ lệ với tốc độ
quay. Phát tốc không xác định được chiều quay nên phải lắp thêm mạch xác định
chiều quay. Để lấy tín hiệu ra người ta dùng mạch chỉnh lưu. Hình 1.9 là sơ đồ nguyên
lý đo tốc độ bằng máy phát xoay chiều đầu ra bộ chỉnh lưu có bố trí bộ lọc RC.
Hình 1.9 : Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều ba pha
3. Đo tốc độ bằng xung và số(Encoder)
Máy phát tốc độ xung phát ra z xung trong một vòng quay, tần số xung ra:
π
ω
ω
2
.Z
f =
Đo tốc độ xung thường dùng hai loại, loại dùng điện từ và loại dùng bán dẫn
quang.
- Bộ nhân xung: để nâng cao độ chính xác người ta cần tăng số lượng xung
trong một vòng quay, tuy vậy việc tăng số vạch chia để tăng số xung trong một vòng
quay sẽ bị giới hạn bởi độ tác động nhanh của phần tử quang điện hoặc phải tăng kích
22
thước của đĩa đo. Nếu hai giới hạn này đã bị giới hạn thì người ta thiết lập mạch nhân
xung để tăng số xung trên đầu ra.
Hình 1.10 : Mạch nhân xung đầu ra phát tốc xung
- Lấy tín hiệu tương tự trên đầu ra phát tốc xung với mục đích tạo ra tín hiệu U
ω
trên đầu ra của phát tốc xung ta dùng mạch biến đổi f/U
- Chuyển tín hiệu phát tốc xung ra tín hiệu số: Trong hệ điều khiển số truyền

n
m
==
23
Đo chu kỳ: Bộ đếm sẽ đếm tổng số xung nhịp trong một chu kỳ xung ra của đầu đo,
tức là: T
m
=
d
f
.
1
Như vậy số chỉ thị tốc độ sẽ là:
ω
π
ω
z
d
ffTN
nnm
2

==
Dung lượng bộ đếm tỉ lệ nghịch với tốc độ quay.
Trong thực tế những mạch truyền động cũng như hệ truyền động trong phòng
thí nghiệm thì người ta thường dùng Encoder để lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ.
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay,
chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led
sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu.