Nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay vạn năng 6P13

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43  
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀO VIỆC CẢI TẠO NÂNG CẤP 
MÁY PHAY VẠN NĂNG 6P13Б 
Đỗ Thị Vụ*, Phạm Đình Tiệp, Ngô Mạnh Tiến 
Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ Thuật - ĐH TN 
TÓM TẮT 
Điều khiển số với các mạch vòng phản hồi kín đảm bảo cho hệ thống ổn định và đảm bảo các chỉ 
tiêu về mặt chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh...Do đó việc ứng 
dụng điều khiển số vào việc cải tạo và nâng cấp hệ thống truyền động bàn của các máy phay cũ 
mang ý nghĩa thực tiễn. 
Bài báo đã nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số nhằm cải tạo nâng cấp hệ truyền động bàn ăn 
dao máy phay 6R13Б . Bằng kết quả phân tích và tổng hợp hệ thống số và việc thiết kế xây dựng 
phần cứng của hệ thống truyền động làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào chuyển 
đổi những hệ thống truyền động của máy cũ sang hệ thống số mà hệ thống này đang được nghiên 
cứu và ứng dụng thực tế. 
Từ khóa: Hệ thống truyền động số, Máy phay vạn năng, hệ thống T-D, động cơ một chiều, điều 
khiển lặp. 
 ĐẶT VẤN ĐỀ 
Trong những năm gần đây việc ứng dụng hệ 
truyền động một chiều T - Đ với các mạch 
vòng phản hồi kín nhằm đảo bảo tốt các chỉ 
tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng 
được sử dụng phổ biến, nó có khả năng ứng 
dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ 
đến công suất lớn. 
Việc đi sâu nghiên cứu và ứng dụng điều 
khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay 
vạn năng ở xưởng Cắt gọt trường Cao đẳng 
Kinh tế - Kỹ thuật có một ý nghĩa thực tiễn. 
 Máy phay 6P13Б đã được sản xuất và đưa 
vào sử dụng trên 30 năm, hiện nay nó vẫn 
đang được sử dụng. Bàn máy có 2 truyền 
động cần quan tâm. 
- Truyền động chính (quay dao phay) là 
truyền động quay tròn nhờ động cơ không 
đồng bộ rôto lồng sóc, làm việc với công suất 
không đổi, không yêu cầu đảo chiều quay khi 
đang vận hành. 
- Truyền động ăn dao: Truyền động ăn dao 
trên máy có yêu cầu phức tạp, yêu cầu về 
phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, đặc tính cơ 
có độ cứng cao, độ ổn định tốc độ cao. Hệ 
thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độ 
tác động nhanh, dừng máy chính xác, đảm 
 Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com 
bảo sự liên động với truyền động chính khi 
làm việc tự động. 
Đối chiếu với các yêu cầu này thì hiện tại 
truyền động bàn máy phay 6P13Б chưa đáp 
ứng được v× m¸y ®· qu¸ cò chủ yếu là dùng 
tay gạt cơ khí và các hãm cắt điều khiển đóng 
cắt điện cho các công tắc vì thế độ chính xác 
không cao, vì thế việc cải tạo nâng cấp truyền 
động bàn ăn dao máy phay là cần thiết. 
Chọn phương án cải tạo và nâng cấp 
truyền động bàn máy phay 
Để cải tạo nâng cấp truyền động bàn máy 
phay ở tại xưởng trường Cao đẳng Kinh tế - 
Kỹ thuật cho đáp ứng với yêu cầu như: phạm 
vi điều chỉnh tốc độ rộng, độ ổn định tốc độ 
cao có thể dùng 2 hệ truyền động mà gần đây 
người ta sử dụng đó là: 
- Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha. 
- Hệ thống Thyristor - Động cơ. 
Qua phân tích ta thấy cả hai hệ thống đều đáp 
ứng được các yêu cầu truyền động bàn máy 
phay. Tuy nhiên xét cấu trúc của hệ thống cũ 
của máy với mục đích để cải tạo và nâng cấp 
thì hệ T-D mang tính khả thi hơn. 
Thiết kế hệ thống truyền động số cho 
truyền động bàn ăn dao máy phay 
Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44  
Để khảo sát ổn định cụ thể của một hệ thống 
truyền động ta tiến hành tính chọn các thông 
số và thay vào các công thức tính toán. 
Sơ đồ khối: 
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động số 
Ổn định mạch vòng dòng điện 
* Tổng hợp mạch vòng dòng điện 
Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ 
mạch vòng dòng điện dưới đây: 
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 
Áp dụng các định luật về hàm số truyền đạt 
cho các khối 1,2 ta có: 
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện 
Với các số liệu tính toán như sau: 
 T = 0,00165 
 Kp =0,25 ; Ki =42 
Sau khi thay số và biến đổi ta được kết quả 
như sau : 
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện là: 
01
2
2
3
3
01
2
2
3
3
1
0011
2
22
3
3
01
2
2
3
3
0
0
)(
)(
)(
)()()1(
)(1
)(
)(
EZEZEZE
DZDZDZD
ZU
ZRI
ZW
DCZDCZDCZD
DZDZDZD
ZW
ZW
ZW
KI
KI
Thay số vào ta có: 
E0 = - 3,4181 
E1 = 11,8326 
E2 = - 13,6669 
E3 = 5,2945 
* Xét ổn định mạch vòng dòng điện 
Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng 
dòng điện thay số và biến đổi ta được kết quả 
như sau: 
G0 = 0,0421 
G1 = 0,6383 
G2 = 7,4635 
G3 = 34,2122 
Ta có: 
G0V
3
 + G1V
2
+ G2V+G3 = 0 
0,0421.V
3
 +0,6383.V
2
 + 7,4635.V+34,3122= 0 
Xét ổn định cho mạch vòng dòng điện theo 
tiêu chuẩn ổn định Routh: 
Theo tiêu chuẩn Routh, để cho mạch vòng 
dòng điện ổn định thì điều kiện cần và đủ là: 
G0 > 0 ; G1 > 0 ; N0 > 0 ; N1 > 0 
Vậy ta thấy: 
0,0421>0; 7,4635>0;5,2073>0; 34,2122>0 
Vậy khi ta chọn các hệ số KP và Ki cho bộ 
điều khiển dòng điện và thời gian lượng tử T 
phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng 
dòng điện ổn định. 
Ổn định của mạch vòng tốc độ 
* Tổng hợp mạch vòng tốc độ 
Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta tổng 
hợp mạch vòng tốc độ theo sơ đồ khối sau: 
Hình 4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 
Với các số liệu tính toán như sau: 
 T = 0,00165 
 Kp = 0,25 
 Ki = 42 
 K=0,0006 
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ: 
U
uphi
RI(z)
Ud
1
Tas + 1
1
Tcs
-( )
H(s)
T
E
T Ku
Tus + 1
RI E(s)
R (z)
I
H(s)
-
Ku
T s +1u
T sc
1+T s +T T sc a c
2
U
Up
T T RI(s)
U(Z)
R(z)
n(Z)
WKI(Z) WB(Z)
Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45  



)Z(W1
)Z(W
)Z(W
0
0
K
)(
)(
01
2
2
3
3
4
4
00
2
10
3
20
4
30
ZU
Zn
FZFZFZFZF
ZDKZDKZDKZDK

Trong đó: 
F0 = -E0; F1 = K0D0 + E0 – E1; F2 = K0D1 + 
E1 – E2; F3 = K0D2 + E2 – E3; 
F4 = K0D3 + E3 
Thay số vào ta được: 
F0 = 3,4181; F1 = - 15,9200; F2 = 27,7740; F3 
= - 21,5483;F4 = 6,2856 
* Xét ổn định của mạch vòng tốc độ 
Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng tốc độ: 
)(
)(
)(
01
2
2
3
3
4
4
00
2
10
3
20
4
30
ZU
Zn
FZFZFZFZF
ZDKZDKZDKZDK
ZWK


Ta có phương trình đặc tính: 
0FZFZFZFZF 01
2
2
3
3
4
4 
6,2856Z
4
 – 21,5483Z
3
 + 27,7740Z
2
 -15,9200Z 
+ 3,4181 = 0 
Đổi biến 
1
1
V
V
Z Ta có: 
0
)4224()626(
)4224()(
0
1
1
1
1
1
1
1
1
01234
0134
2
024
3
0134
4
01234
01
2
2
3
3
4
4
FFFFF
VFFFFVFFF
VFFFFVFFFFF
F
V
V
F
V
V
F
V
V
F
V
V
F
Đặt: 
012344
01343
0242
01341
012340
4224
626
4224
FFFFFQ
FFFFQ
FFFQ
FFFFQ
FFFFFQ
Thay số vào ta có: Q0 = 0,0094; Q1 = 0,2130; 
Q2 = 2,6741; Q3 = 22,7266;Q4 = 74,9460 
Ta có : 
Q4V
4 
+ Q3V
3 
+ Q2V
2 
+ Q1V + Q0 = 0 
 74,9460.V
4
 + 22,7266.V
3
 + 2,6741.V
2
 + 
0,2130.V + 0,0094 = 0 
Ta xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo 
tiêu chuẩn Routh. 
 Theo tiêu chuẩn Routh, để cho tốc độ ổn định 
thì điều kiện cần và đủ là: 
Q0 > 0; Q1 > 0; R0 > 0; R1 > 0; S0 > 0 
0,0094>0;0,2130>0; 1,6743>0; 13,1900>0; 
74,9460>0 
Vậy khi chọn các hệ số K cho bộ điều 
khiển tốc độ số và thời gian lượng tử T ta 
phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng 
tốc độ ổn định. 
Chất lượng của mạch vòng dòng điện và 
mạch vòng tốc độ 
*Mạch vòng dòng điện 
Ta tiến hành tìm các giá trị KP và K i của 
bộ điều khiển dòng điện Ri(Z) ứng với 
từng giá trị thời gian lượng tử T để cho 
mạch vòng dòng điện đảm bảo các yêu 
cầu chất lượng đề ra. 
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện 
01
2
2
3
3
01
2
2
3
3
1
KI
EZEZEZE
DZDZDZD
)Z(U
)Z(RI
)Z(W
Ta có phương trình đại số: 
E3Z
3
Y(Z) + E2Z
2
Y(Z) + E1Z0Y(Z) + E0Y(Z) 
= D3Z
3
U(Z) + D2Z
2
U(Z) + D1Z0U(Z) + 
D0U(Z) 
Trong đó: 
 Y(Z) R.I(Z) 
Vậy phương trình sai phân ứng với phương 
trình đại số trên là: 
E3Y(K+3) + E2Y(K+2) + E1Y(K+1) + E0Y(K) 
= D3U1(K+3) + D2U1(K+2) + D1U1(K+1) + 
D0U1(K+1) + D0U1(K) 
Với giả thiết tín hiệu vào Ui 1(t) với t ≥ 0 do 
đó ta có: 
U1(K+3) U1(K+2) = U1(K+1) U1(K+1) 1 
Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46  
Vậy: 
Y(K+1) (-E2 Y[K+2] – E1 Y[K+1] – E0 
Y[K] + D3 + D2 + D1 + D0)/E3 
Từ phương trình sai phân này lập trình theo 
ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong i(t) 
ứng với các giá tị KP và KI, ta vẽ các đường 
cong này trên cùng một hệ trục tọa độ. 
Chương trình vẽ đường cong này có tên: 
"Program DDIEN 1” 
Giá trị số liệu để vẽ đường cong dòng điện i(t) 
 1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) 
 + KP1 = 0,25; Ki1 = 25 
 + KP2 = 0,25; Ki2 = 42 
 + KP3 = 0,25; Ki3 = 95 
 2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) 
 + KP1 = 0,25; Ki1 = 23,45 
 + KP2 = 0,25; Ki2 = 50 
 + KP3 = 0,25; Ki3 = 102 
Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các 
tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị 
KP và Ki như sau: 
1. T 0,5.TU 0,00165 (s) 
+ KP = KP2 = 0,25; Ki Ki2 42 
2. T 0,5.TU 0,002 (s) 
+ KP KP2 0,25; Ki Ki2 50 
Từ đây ta xây dựng chương trình “Program 
DIEN 2” ta vẽ được đường cong R.i(t) cũng 
như là bảng kết quả của R.I[K] ứng với các 
giá trị KP và Ki đã chọn. 
Hình 5. Đường cong quá độ khi T = 0.00165 
Hình 6. Đường cong quá độ khi T = 0.0020 
*Mạch vòng tốc độ 
Cơ sở lý thuyết để xét chất lượng cho mạch 
vòng tốc độ cũng giống như mạch vòng dòng 
điện. Đó là phải tìm giá trị K của bộ điều 
chỉnh tốc độ R ứng với thời gian lượng tử T 
và giá trị KP, Ki của bộ điều khiển dòng điện 
Ri đã chọn ở (a) để cho mạch vòng tốc độ 
đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng. 
Để vẽ đường cong n f(t) ta cũng dùng 
phương pháp số Tustin. 
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ: 
)Z(U
)Z(n
FZFZFZFZF
ZDKZDKZDKZDK
)Z(W
01
2
2
3
3
4
4
00
2
10
3
20
4
30
K

 
Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47  
F4Z
4
Y(Z) + F 3Z
3
Y(Z) + F 2Z
2
Y(Z) + F 
1ZY(Z)+F0Y(Z) = K0D3Z
4
U (Z) + K0D2Z
3
U 
(Z) + K0 D1Z
2
U (Z) + K0D0Z U (Z) 
Trong đó Y(Z) n(Z). 
Vậy phương tình sai phân ứng với phương 
trình đại số trên là: 
F4Y[K+4] + F3Y[K+3] + F2Y[K+2] + 
F1Y[K+1] + F0Y[K] = 
K0D3U [K+4] + K0D2U [K+3] + K0D1U 
[K+2] + K0D0U [K+1] 
Với giả thiết tín hiệu vào ui=1(t) với t≥0 do 
đó ta có: 
U[K+4] = U [K+3] = U [K+2] = U 
[K+1] 
Y[K+4] = (-F3Y[K+3] - F2Y[K+2] - 
F1Y[K+1] - F0Y[K] + K0D3 + K0D2 + K0D1 + 
K0D0)/F4 
Từ phương trình sai phân này lập trình theo 
ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong n(t) 
ứng với các giá trị K ta vẽ các đường cong 
này trên cùng một hệ trục tọa độ. Chương 
trình vẽ các đường cong có tên là “Program 
TOCDO 2” 
Giá trị số liệu để vẽ các đường cong (t) 
1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) 
KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 42 
K1 = 0,0006; 
K2 = 0,01; 
K3 = 0,00009; 
2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) 
KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 50 
K1 = 0,00058; 
K2 = 0,0125; 
K3 = 0,00009; 
Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các 
tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị 
KP và Ki như sau: 
1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) 
KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 42 
K = K2 = 0.0006; 
2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) 
KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 50 
K = K2 = 0.00058; 
Từ đây dựa vào chương trình “Program 
TOCDO1” ta vẽ được đường cong n(t) cũng 
như là bảng kết quả của n[K] ứng với các giá 
trị T, KP, K và Ki đã chọn. 
Hình 7. Đường cong quá độ khi T = 0.00165 
Hình 8. Đường cong quá độ khi T = 0.0020 
KẾT LUẬN 
1. Phân tích và tìm hiểu kỹ thực trạng của 
máy phay của trường Cao đẳng Kinh tế 
Kỹ thuật từ đó đề xuất được phương án 
cải tạo, thay thế nâng cấp máy này đó là 
thay thế hệ thống truyền động ăn dao bằng 
hệ thống T – D số. 
2. Tiến hành phân tích và tổng hợp hệ thống 
truyền động số để đánh giá được chất lượng 
của hệ thống. Cụ thể là: 
- Mạch vòng dòng điện với thông số: 
 + Với T = 0,5.Tu = 0,00165(s) 
Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48  
 Kp = Kp2 = 0,25 ; Ki = Ki2 = 42 
 + Với T = 0,5.Tu = 0,002(s) 
 Kp = Kp2=0,25 ; Ki= Ki2 = 50 
- Và mạch vòng tốc độ với thông số : 
 + Với T= 0,5.Tu = 0,00165(s) 
 Kp = Kp2 = 0,25 ; Ki = Ki2 = 42 
 K= K2 = 0,0006 
 + Với T = 0,5.Tu = 0,002(s) 
 Kp = Kp2= 0,25 ; Ki= Ki2 = 50 
 K= K2 = 0,00058 
thì hệ ổn định và có chất lượng tốt. 
3. Trên cơ sở phần tính toán khảo sát của hệ 
thống truyền động đã tiến hành thiết kế xây 
dựng phần cứng của hệ thống truyền động. 
hơn, đồng thời phải tiến hành thí nghiệm trên 
mô hình thực. 
KIẾN NGHỊ 
Để đề tài có thể ứng dụng vào sản xuất thì cần 
có thời gian nghiên cứu 1 cách chi tiết cụ thể 
Làm được như vậy thì đề án sẽ có tính khả thi 
ứng dụng vào thực tế. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] TS.Trần Thọ, PGS.TS.Võ Quang Lạp (2004), Cơ 
sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản 
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 
[2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc 
Hải, Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động 
truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ 
thuật, Hà Nội. 
[3] Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh (1998), Bài 
giảng môn học kỹ thuật biến đổi, Đại học Kỹ thuật 
công nghiệp, Thái Nguyên. 
[4] Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hoá hệ thống 
và mô phỏng, Đại học Bách khoa, Hà Nội. 
[5] Tạ Duy Liên (1999) Hệ thống điều khiển số cho máy 
công cụ. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 
[6] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị 
Liên. Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại. 
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 
[7] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung 
Sơn, Cao Văn Thành (1999). Điều khiển số máy điện. 
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
SUMMARY 
RESEARCH AND APPLY DIGITAL CONTROL IN IMPROVEMENT OF 6P13Б 
UNIVERSAL MILLING MACHINE 
Do Thi Vu
, Pham Dinh Tiep, Ngo Manh Tien 
College of Economics and Technology - TNU 
Control of the closed loop feedback system to ensure stability and guarantee the quality indicators such as: the 
process control, speed, time to adjust ... Therefore the application control of the renovation and upgrading of the 
transmission area of the old milling machine practical significance. 
The article was researched and control applications aimed at improving and upgrading the transmission table 
6R13Б feed milling. By analysis and synthesis of digital systems design and build hardware and transmission 
systems as a basis for continued applied research on switching and transmission systems of the old machine to the 
numbering system that the system under study and practical application. 
Key words: digital transmission system, Universal milling machine, T-D system, a DC motor, control-loop. 
 Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com