TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC LOẠI VAN TỶ
LỆ TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

Chủ nhiệm đề tài: TH.S. VŨ THỊ THU

Hải Phòng, tháng 4/2016

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THỦY LỰC ........................................................................................... 3
1.1.KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI VAN ĐIỆN – THỦY LỰC TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC ................................................................ 3
1.2.VAN ĐIỆN TỪ (SOLENOID VALVES)..................................................... 4
1.3. VAN PHÂN PHỐI TỶ LỆ (PROPORTIONAL VALVES) ........................ 6
1.4. VAN SERVO (SERVO VALVES) .............................................................. 9
1.5. KẾT LUẬN ............................................................................................... 13
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ ................................................................................... 14

Hiện nay hệ thống điều khiển điện – thủy lực được ứng dụng trong công
nghiệp với nhiều yêu cầu khác nhau, tùy theo mục đích cụ thể mà có thể thực
hiện điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí hay điều khiển mômen. Trong các hệ
thống đó các chức năng điều khiển được thực hiện thông qua các van điện –
thủy lực. Các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này thường đi nghiên cứu một hệ
thống cụ thể với yêu cầu điều khiển khác nhau.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi đề tài sẽ đi giải quyết các vấn đề sau:
- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại van tỷ lệ.
- Xây dựng hệ điều khiển vị trí dùng cơ cấu chấp hành thủy lực.
- Xây dựng hệ thống điều khiển điện – thủy lực điều khiển vị trí ứng dụng
van tỷ lệ.
- Mô phỏng và đánh giá hệ thống.

1


Đề tài tập trung vào tìm hiểu về các loại van điện – thủy lực, đi sâu nghiên
cứu về van tỷ lệ và ứng dụng của van tỷ lệ trong các hệ thống điện – thủy lực
điều khiển vị trí.
4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình
Trên cơ sở tìm hiểu về các loại van tỷ lệ ứng dụng trong hệ thống thủy
lực, xây dựng hệ thống điều khiển vị trí với hệ thống động lực dùng cơ cấu chấp
hành thủy lực với độ chính xác cao. Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí tương
ứng với van tỷ lệ, phân tích và đánh giá hiệu quả của hệ thống.
Kết cấu của đề tài gồm ba chương :
Chương 1. Các loại van tỷ lệ dùng trong hệ thống điều khiển thủy lực
Chương 2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí ứng dụng các loại van tỷ lệ
Chương 3. Khảo sát hệ thống điều khiển vị trí dùng van tỷ lệ
5. Kết quả đạt được của đề tài

Hiện nay van điều khiển thủy lực được chia làm ba loại, theo chất lượng
điều khiển người ta sắp xếp theo trình tự từ thấp đến cao bao gồm [4]:
- Van điện từ (solenoid valves) :
+ Van điện từ đóng mở (on/off solenoid valves).
+ Van điện từ điều khiển (on/off solenoid valves with spool control).
- Van phân phối tỷ lệ (proportional valves):
+ Van phân phối tỷ lệ không phản hồi (non-feedback proportional valves).
+ Van phân phối tỷ lệ có phản hồi (feedback proportional valves).
+ Van phân phối tỷ lệ hiệu suất cao (high performance proportional valves).
3


- Van servo (servo-valves):
+ Van servo.
+ Van servo kỹ thuật số (digitally controlled servo-valves).
1.2.

VAN ĐIỆN TỪ (SOLENOID VALVES)
Van điện từ là loại van được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều

khiển tự động thủy lực và khí nén.

Hình 1.2. Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ.
a- Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ điều khiển trực tiếp
( 1, 5 - vít hiệu chỉnh vị trí của lõi sắt từ;
2, 4 - lò xo; 3, 6 - cuộn dây của nam châm điện);
b- Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ điều khiển gián tiếp
(1 -van sơ cấp; 2 -van thứ cấp)
Van điện từ (hình 1.2) gồm hai loại: loại điều khiển trực tiếp và loại điều
khiển gián tiếp. Loại điều khiển trực tiếp (hình 1.2a) có cấu tạo gồm các bộ phận

-Van điện từ điều khiển: Van điện từ điều khiển có khả năng điều khiển được
một số vị trí của con trượt nhờ kết cấu khống chế hành trình. Ứng với mỗi nấc
điều chỉnh sẽ cho một giá trị lưu lượng nào đó. Nhờ các lỗ tiết lưu trong đường
dẫn dầu về hai phía của con trượt mà con trượt di chuyển đều, không va đập, tức
là có thời gian nhất định để tăng và giảm tốc, tuy nhiên vị trí dừng của pittông bị
ảnh hưởng của nhiều yếu tố nên để pittông dừng đúng vị trí cũng cần hiệu chỉnh
thời gian tác động của khóa giới hạn.
1.3. VAN PHÂN PHỐI TỶ LỆ (PROPORTIONAL VALVES)
Khác với van điện từ, van phân phối tỷ lệ có khả năng điều khiển được vô
cấp lưu lượng qua van. Cấu tạo của van phân phối tỷ lệ gồm ba bộ phận chính:
thân van, con trượt và nam châm điện.
Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt
bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Ứng với mỗi giá trị của
dòng điện I, phải có một giá trị tương ứng độ dịch chuyển nòng van s. Như vậy
có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ
có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp. Đối với loại van này, nam châm điện
trực tiếp kéo con trượt di chuyển nên dòng điều khiển lớn. Đối với loại van này,
nam châm điện trực tiếp kéo con trượt di chuyển nên dòng điều khiển lớn.[2].
Van phân phối tỷ lệ bao gồm ba loại :
- Van tỷ lệ không có phản hồi: Cấu tạo và ký hiệu của van phân phối tỷ lệ
không có phản hồi thể hiện trên hình 1.4. Nếu hai cuộn dây điện từ (1) và (5)
không có điện, nòng van nằm ở vị trí giữa được giữ bởi hai lò xo ở hai phía
nòng van, khi đó tất cả các cửa van bị chặn.
Nếu một trong hai cuộn dây điện từ có dòng điện, nòng van sẽ dịch
chuyển về phía tương ứng, các cửa van được thay đổi phù hợp. Đồng thời khi
6


thay đổi độ lớn của dòng điện vào cuộn dây diện từ, vị trí nòng van sẽ dịch
chuyển, vị trí các mép điều khiển đóng vai trò tiết lưu cũng thay đổi từ đó thay

nhằm truyền cho nam châm dòng điều khiển chính xác. Nên nhờ bộ cảm biến
này mà vị trí di chuyển của con trượt điều khiển được chính xác.

Hình 1.7. Van tỷ lệ có hiệu suất cao.
1.4. VAN SERVO (SERVO VALVES)
a. Nguyên lý làm việc

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van
servo.
Bộ phận điều khiển con trượt của van servo thể hiện trên hình 1.8 gồm
các ở bộ phận sau [3]:
+ Nam châm vĩnh cửu;
+ Phần ứng và hai cuộn dây;
+ Cánh chặn và càng đàn hồi;
+ Ống đàn hồi;
+ Miệng phun dầu.

9


Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần
ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một
kết cấu cứng vững. Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống
này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi
dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi,
càng này nối trực tiếp với con trượt. Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau
thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ
quay. Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn
đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại). Điều
đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt được di

b. Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển;
c. Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển.
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo.

11


Do hoàn thiện về thiết kế ,khả năng chế tạo với độ chính xác cao mà van
servo có đặc tính tốt nhất hiện nay, phù hợp với các hệ thống điều khiển tự động
thủy lực chất lượng cao. Van servo được ứng dụng vào ngành hàng không trong
nhiều năm qua và gần đây được ứng dụng rộng rãi ở các ngành công nghiệp
khác. Tuy nhiên với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay nhiều hãng sản xuất đã chế
tạo được van tỉ lệ có đặc tính gần giống với đặc tính của van servo nhưng giá
thành lại thấp hơn, nên tùy theo yêu cầu của thiết bị mà khi chọn van cần cân
nhắc cả yêu cầu kỹ thuật lẫn giá thành của chúng.

a, b. Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo;
c. Ký hiệu của van servo.
Hình 1.10. Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo
12


1.5. KẾT LUẬN
1. Trên cơ sở phân tích trên ta thấy, trong các hệ thống điều khiển xy lanh
thủy lực như điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí hay điều khiển tải trọng, các
van điện – thủy lực đóng vai trò là van điều khiển chính trong hệ thống. Các van
điều khiển điện – thủy lực này có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau.
2. Đối với những hệ thống điều khiển vị trí đơn giản, không yêu cầu thay
đổi vận tốc, việc sử dụng các van điện từ (solenoid valves) tương đối hiệu quả.
Trong những hệ thống điều khiển vận tốc hoặc điều khiển vị trí chính xác của xy

2.2. Việc điều khiển vị trí trong sơ đồ hình 2.2 được thực hiện thông qua việc so
sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí gửi về. Khi cho tín hiệu
điện áp đặt C (dạng tín hiệu điện áp), bộ khuếch đại sẽ tạo ra dòng điện I tương
ứng để điều khiển tiết diện chảy của van từ đó thay đổi lưu lượng qua van cung
cấp cho xylanh làm pittông dịch chuyển đạt vị trí theo yêu cầu từ tín hiệu đặt.
Cảm biến vị trí dạng biến trở gần trên đầu của pittông cũng dịch chuyển, tạo ra
điện áp phản hồi F truyền về bộ khuếch đại và so sánh với điện áp điều khiển C
nhằm san bằng sự sai lệch E. Khi điện áp so sánh có sai lệch E = 0 thì pittông sẽ
dừng ở vị trí tương ứng.

Hình 2.2. Mạch điều khiển vị trí hệ kín sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi
15


Trong mạch điều khiển này, hành trình h của pittông, chiều dài và điện áp
của cảm biến vị trí và điện áp tín hiệu vào phải có quan hệ tương thích.
2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ CÓ PHẢN HỒI

Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí sử dụng van tỷ lệ có phản hồi
Khác với van tỷ lệ không có phản hồi, van tỷ lệ có phản hồi sẽ có bộ
khuếch đại và bộ phận phản hồi vị trí con trượt riêng tích hợp trong van. Khi đó
nếu sử dụng van tỷ lệ có phản hồi, ta sử dụng cấu trúc hệ thống điều khiển như
hình 2.3. So với van tỷ lệ không có phản hồi thì van tỷ lệ có phản hồi có thời
gian đáp ứng nhanh hơn, thông thường là từ 12ms đến 37ms và sai số nhỏ hơn
do hiện tượng từ trễ nhỏ, khoảng 1%. [3]
2.3. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ HIỆU SUẤT CAO
Đối với van tỷ lệ hiệu suất cao, như đã phân tích ở chương 1, kết cấu của
van ngoài một nam châm điều khiển con trượt còn có một cảm biến vị trí LVDT
(Linear Variable Differantial Tranformer). Cảm biến có nhiệm vụ cung cấp tín
hiệu vị trí của con trượt cho bộ khuếch đại của van. Nhờ phối hợp giữa nam

Y

a.Van tỷ lệ có vị trí không

A

B

1Y 1

1Y 2
P

T

b. Van tỷ lệ không có vị trí không
Hình 3.1. Hình ảnh và ký hiệu của van tỷ lệ 4/3 của hãng Festo
Bảng 3.1. Thông số của van phân phối tỷ lệ VPWP-4
Thông số

Giá trị

Áp suất làm việc

210 bar (3000psi)

Giá trị điều khiển

0V→10V (van có vị trí không)
-10V→10V (van không có vị trí không)


36mm

Đường kính trục piston

20mm

X
+24V

F=600

2 3

4

+24V
A

B
1
10V

Z

X

Y
P



6
4
2
1000
800

Double
acting
cy linder

Position
mm

600
400
200

0.2
Double
acting
cy linder

Velocity
m/s

0.15
0.1
0.05
0

generator

Voltage
V

3
2
1
1000
800

Double
acting
cy linder

Position
mm

600
400
200

0.2
Double
acting
cy linder

Velocity
m/s


Function
generator

Voltage
V

0.60
0.40
0.20
1000
800

Double
acting
cy linder

Position
mm

600
400
200

0.16
Double
acting
cy linder

Velocity



B

1
10V

Y1

X

Y2
P

T

V

0V

0V

X
2 3

+24V

F=600

+24V
A


Quantity v alue

2

3

2
1.50
1
Function
generator

Voltage
V

0.50
0
-0.50
-1
-1.50
-2
1000
800

Double
acting
cy linder

Position

Description

4

Quantity v alue

5

6

7

4
3
2
Function
generator

1
0

Voltage
V

-1
-2
-3
-4
1000
800

3.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Trong mạch điều khiển trên, hành trình h của pittông, chiều dài và điện áp
của cảm biến vị trí và điện áp tín hiệu vào có quan hệ tương thích.
Khi pittông ở vị trí 0 thì điện áp phản hồi phải báo giá trị bằng 0 V. Khi
pittông ở vị trí max (h = 1000 mm) thì cảm biến vị trí có giá trị + 10 V. Tương
ứng với mối quan hệ đó tín hiệu điện áp điều khiển thay đổi từ 0 đến +10V. Khi
vào bộ so sánh, tín hiệu phản hồi ngược dấu với tín hiệu vào và thực hiện san
bằng điện áp.
Ví dụ, cần điều khiển pittông di chuyển đi 500 mm thì tín hiệu vào dạng
step sẽ tương đương là +5 vôn.
Khi pittông chưa di chuyển (ở thời điểm ban đầu) thì tín hiệu phản hồi F =
0 và lúc này tín hiệu so sánh là E = C − F = 5 V − 0 = 5 V. Bộ khuếch đại có
tín hiệu vào 5 V sẽ sinh ra dòng điện tương ứng để điều khiển van. Giả sử 5 V
tương ứng với vận tốc của pittông là 200 mm/s và di chuyển hết quãng đường là
500 mm với thời gian là 2,5s. Sau 1s pittông di chuyển được 200 mm/s tương
22


ứng với tín hiệu phản hồi F là 2 V và tín hiệu so sánh sẽ là : 5 V − 2 V = 3 V.
Nếu tín hiệu so sánh giảm từ 5 V xuống còn 3V thì vận tốc pittông giảm từ 200
mm/s xuống còn 120 mm/s

Hình 3.6. Đồ thị về sự so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.
Hành trình của pittông di chuyển sau 2s là : 200 + 120 = 320 mm. Cứ tiếp
tục quá trình này cho đến khi tín hiệu so sánh E = 0 thì pittông di chuyển hết
hành trình trong khoảng thời gian 2,5s (hình 3.6). Để thời gian đáp ứng nhanh ta
có thể tăng tốc độ chuyển động của pittông bằng cách tăng hệ số khuếch đại.
Một vấn đề nữa cũng cần quan tâm là vùng chết của van trượt điều khiển
(hình 3.7). Khi con trượt di chuyển hết hành trình x0 thì dầu mới bắt đầu qua
van. Thông thường x0= 25% giá trị của lượng dịch chuyển cực đại. Điều đó cũng