Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của động cơ ac servo

Trang 1

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ SERVO MOTOR VÀ DRIVER
1.1. Động cơ servo
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để
động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước
là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ
thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm
động cơ không quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín
hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị
trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển
động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong
muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy
khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mơ hình máy bay và xe hơi.
Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng
trong mơ hình máy bay và xe hơi.

Hình 1. Một số loại động cơ Servo trên thị trường hiện nay.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 2

1.2. Những loại động cơ Servo phổ biến

Có 3 loại động cơ servo sử dụng rộng rãi hiện nay:
-

Động cơ servo DC : Dựa trên nền tảng động cơ DC tức là động cơ DC có

bộ điều khiển hồi tiếp.

Hình 2. Ảnh minh họa 1 động cơ DC servo.

Hình 3. Cấu trúc cơ bản 1 động cơ DC servo.
-

Động cơ servo R/C(Radio-Controlled) : Là động cơ servo được điều khiển

bằng liên lạc vô tuyến(điều khiển từ xa). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không
phải được điều khiển bằng vơ tuyến, nó chỉ nối với máy thu vơ tuyến trên các mơ hình
máy bay, xe hơi.... Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 3

Hình 4. Ảnh minh họa 1 động cơ RC servo.
1. Motor
2. Bảng điện tử

3. Dây nguồn dương
4. Dây tín hiệu
5. Dây nối đất
6. Volt kế
7. Trục bánh răng
8. Đĩa trịn đính kèm
9. Vỏ động cơ
10. Encoder
Hình 5. Cấu trúc cơ bản động cơ R/C servo.
-

Động cơ servo AC. Động cơ AC Servo được sử dụng rất rộng rãi trong

công nghiệp, trong các nhà máy tự động mà cụ thể là điều khiển vị trí, vận tốc các cơ cấu
servo, robot, chuyển động chạy dao trong máy CNC…

GVHD: Th.s Đoàn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 4

Hình 6. Ảnh minh họa 1 động cơ AC servo.
-

Động cơ AC servo dựa trên nền tảng là động cơ xoay chiều 3 pha. Động cơ

xoay chiều 3 pha làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp điện áp xoay chiều 3
pha vào động cơ, trong stato xuất hiện từ trường quay, từ trường này tác động lên roto
làm roto quay theo.

Hình 7. Stato và dịng điện 3 pha.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 5

Hình 8. Cấu trúc cơ bản 1 động cơ AC servo.
1.3.

Động cơ AC servo Σ – L Series SGML của hãng Yaskawa Nhật Bản.

Hình 9. Động cơ AC servo Yaskawa SGML-02AF12.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 6

1.3.1. Thông số kĩ thuật
Bảng thông số kĩ thuật động cơ AC servo SGML-02AF12

Các thông số quan trọng cần chú ý:
-

Công suất : 200 W

-

Nguồn cấp : 200 V

-

Mômen : 0.673 N.m

-

Tốc độ tối đa : 3000 vòng/phút

-

Encoder : 1024 xung/vịng
Bảng thơng số sản phẩm của dịng SGM servo motor:

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 7

1.3.2. Cấu trúc chi tiết

Hình 10. Cấu trúc chi tiết động cơ AC servo dòng SGML.
1.3.3. Kết nối với Driver(servopack)
Động cơ AC servo kết nối với Driver bằng 2 đường cáp chính:
-

Một là đường cáp nguồn C4: gồm 4 sợi dây như hình dưới.

Hình 11. Sơ đồ chân đầu cáp C4.
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 8

-

Chức năng các chân của đầu cáp C4(nối trực tiếp vào Driver):

-

Hai là đường cáp tín hiệu C9 của Encoder nối với cáp CN2 của Driver, là 1

cổng kết nối có 9 lỗ:

Hình 12. Sơ đồ chân đầu cáp C9.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 9

-

Chức năng các chân của đầu cáp C9 và C9N(2 đầu cáp này nối với nhau):

-

Cáp C9 được nối với đầu cáp C9N của Driver:

Hình 13. Sơ đồ chân đầu cáp C9N.
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng

Trang 10

-

Cuối dây cáp này là đầu cáp CN1 của Driver. Dưới đây là hình và thứ tự

chân của đầu cáp CN2 :

Hình 14. Sơ đồ chân đầu cáp 2CN.
-

Chức năng các chân của đầu cáp CN2 :



Sơ đồ kết nối với Driver :

-

Cáp C4 gồm 4 sợi dây U,V,W và GND sẽ được nối với driver theo thứ tự

như hình dưới.
-

Đầu cáp C9 kết nối với đầu cáp C9N được chuyển qua đều cáp CN2 và kết

nối với driver ở vị trí CN2 như hình dưới.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải

Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 11

Hình 15. Sơ đồ kết nối dây với Driver.
-

Như vậy động cơ AC servo nhận nguồn cấp từ cáp C4 để hoạt động. Đồng

thời encoder cũng xuất tín hiệu hồi tiếp qua cáp CN2 về Driver để xử lý và điều khiển
hoạt động của động cơ.

GVHD: Th.s Đoàn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 12

1.4.

Servopack(Driver)

Hình 16. Servopack SGDL - 01AS.

-

Sơ lược Diver Σ – L Series SGDL - 01AS của hãng Yaskawa - Nhật Bản.

-

Bộ Diver SGDL - 01AS là bộ điều khiển tốc độ/Mơmen động cơ AC servo

với độ chính xác và tốc độ cao.
-

Hỗ trợ cài đặt và điều khiển bằng màn hình Operator.

-

Sử dụng connector CN1 36 cổng với 30 cổng giao tiếp bên ngồi.

-

24 thơng số từ Cn00 - Cn23 có thể cài đặt hỗ trợ vận hành động cơ servo.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 13

-

Điều khiển động cơ AC servo với 3 cấp tốc độ.

1.4.1. Driver SGDL - 01AS

1.4.2. Những thông số kĩ thuật
-

Nguồn cấp đầu vào : AC200 – 230V 50/60Hz 1 phase.

-

Nguồn ra : 0 – 230V max. 200W
Bảng thông số sản phẩm của dịng servopack SGD:

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 14

1.4.3. Sơ đồ cấu tạo của Driver

Hình 17. Sơ đồ cấu tạo của Driver
GVHD: Th.s Đoàn Minh Hải
Trần Minh Thơng

Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 15

1.4.4. Sơ đồ kết nối bên ngồi của Driver

Hình 18. Sơ đồ kết nối Driver với các cổng và thiết bị bên ngồi.



Sơ đồ chân của connector CN1:

Hình 19. Sơ đồ chân của Connector CN1.
GVHD: Th.s Đoàn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 16



Chức năng các chân của Connector CN1:

1.5. Hướng dẫn sử dụng cơ bản màn hình Operator OP03A.

Hình 20. Màn hình Operator OP03A dùng để cài đặt và điều khiển.
-

Màn hình OP03A được dùng để cài đặt các giá trị cho Driver nhằm điều

khiển động cơ Servo theo ý huốn hoặc dùng trực tiếp màn hình này để điều khiển động
cơ servo thơng qua Driver.
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 17



Sau đây là phần hướng dẫn sử dụng màn hình Operator OP03A

-

Nhấn phím MODE/SET để chọn chế độ cài đặt

-

Dùng các phím tăng giảm để điều chỉnh chế độ và các thơng số.

-

Nhấn phím DATA nếu muốn cài đặt thơng số của 1 chế độ đã chọn.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 18



Phân tích các Dấu hiệu trên màn hình



Mơ tả các kí hiệu:

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 19



Những mã thường gặp



Cách chọn và thay đổi các thông số của từng chế độ

-

Ấn

để chọn chế độ cài đặt

-

Ấn phím

và

để thay đổi chế độ cài

đặt.

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng

Trang 20

Ấn phím
thơng số đang chọn
-

để hiển thị dữ liệu của

Ấn phím
và
của thơng số đang chọn
-

-

Ấn phím

để thay đổi dữ liệu

để lưu thông số giá trị cài đặt.

Đèn led sẽ nhấp nháy, biểu hiện thơng tin đã được lưu.

-

Ấn phím

lần nữa để quay về chế độ cài đặt thông số Cn.

-

Với những hướng dẫn trên, chúng ta đã có thể sử dụng màn hình Operator

OP03A để cài đặt những thơng số đơn giản.

1.5.1. Bảng cài đặt thông số tiêu chuẩn của nhà sàn xuất.
Servopack SGDL được thiết kế để có thể kết nối với những động cơ thuộc dòng
SGML của hãng Yaskawa. Dó đó,ta khơng thể kết nối, cấp nguồn rồi cho động cơ chạy
luôn mà bắt buộc phải cài đặt các thơng số thích hợp với loại động cơ Servo ta đang sử
dụng. Mỗi loại động cơ có những thơng số cài đặt riêng để có thể hoạt động. Bây giờ ta
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 21

sẽ tiến hành cài đặt các thông số tiêu chuẩn của nhà sàn suất dành cho động cơ Servo
SGML 02AF12 theo những bảng thông số dưới đây.



Các chế độ đặc biệt:

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 22



Các chế độ thường dùng 1:



Các chế độ thường dùng 2:

GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 23

-

Với những thông số trên khi cài đặt vào Driver ta có thể điều khiển động cơ

một cách cơ bản.

Chương 2: ENCODER VÀ COUNTER
2.1. ENCODER

2.1.1. Giới thiệu và phân loại
Encoder là tên gọi chung để chỉ các thiết bị mã hóa. Trong thực tế có rất nhiều
loại và hình thức encoder khác nhau. Thông thường, đối với các chuyển động quay,
encoder dùng để quản lý vị trí góc của một điã quay, bánh xe, hay trục động cơ, hoặc bất
kì thiết bị quay nào cần xác định góc của nó.
Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder và incremental encoder.
Absolute encoder là encoder tuyệt đối, nghĩa là tính hiệu ta nhận được chỉ rõ
ràng vị trí của encoder, khơng cần phải xử lý thêm.
Incremetal encoder là encoder mã hóa gia tăng (encoder tương đối), thường chỉ
có tối đa là 3 vịng lỗ. Nếu encoder có càng nhiều lỗ trên đĩa thì thơng tin nhận được càng
chính xác. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 đơn vị, do đó
loại này có tên la incremetal encoder (encoder mã hóa gia tăng).
2.1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder
Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay quay quanh trục, trên đĩa có
các lỗ (hoặc rãnh). Dùng đèn led chiếu lên mặt đĩa. Khi quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh) thì
đèn khơng thể chiếu xun qua được, chỗ có lỗ (rãnh) thì đèn sẽ chiếu xun qua. Phía
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 24

mặt bên kia của đĩa được đặt một cảm biến thu. Với các tín hiệu có hoặc khơng có ánh
sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng.
Giả sử trên đĩa có n lỗ, thì mỗi lần cảm biến thu nhận được n lần tín hiệu đèn led
thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.

2.1.3. Độ phân giải của encoder
2.1.3.1. Absolute encoder
Độ phân giải của encoder là một thông số rất quan trọng. Làm thế nào để biết đĩa
quay được 1/2, 1/4 hay 1/n vịng chứ khơng phải chỉ biết đĩa đã quay được một vịng.Với
một số nhị phân có 2 bit, chúng ta sẽ có 4 trạng thái. Điều đó nghĩa là với một số nhị phân
2 bit, chúng ta có thể chia đĩa thành 4 phần bằng nhau, và khi quay chúng ta sẽ xác định
được độ chính xác đến ¼ vịng. Tương tự, với một số nhị phân n bít, ta sẽ xác định được
độ chính xác đến 1/2n vòng.
 Cách thức để xác định 2n trạng thái của đĩa encoder:

Hình 21 . Đĩa Encoder.
Ví dụ ở đĩa encoder có 2 vịng đĩa (hình trên). Ở vịng trong cùng có một rãnh
rộng bằng 1/2 đĩa, vịng phía ngồi có 2 rãnh đối diện nhau. Cần 2 led phát để phát xuyên
qua 2 vòng lỗ và 2 cảm biến thu quang.
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng


Trang 25

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (vòng trong), cảm biến thu đang nằm ở vị trí có lỗ hở
thì tín hiệu nhận được từ mắt thu sẽ là 1. ở vòng lỗ thứ hai, cảm biến thu đang nằm ở vị
trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được sẽ là 1. Kết hợp 2 bit ta được số nhị phân 11, chúng ta
sẽ xác định được đĩa quay đang nằm ở góc phần tư phía trên bên phải.
Nếu đĩa quay có 10 vịng lỗ thì ta sẽ quản lí được vị trí chính xác đến 1/210 vịng
(1/1024 vòng), hay còn gọi là dộ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulse per
revolution – ppr).

2.1.3.2. Incremetal encoder
Lợi thế của encoder tuyệt đối thể hiễn rõ rệt trong trường hợp góc quay nhỏ và
động cơ khơng quay nhiều vịng. Khi đó việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho
người dùng. Chỉ cần đọc giá trị là chúng ta có thể biết ngay vị trí góc của trục quay. Tuy
nhiên, nếu động cơ quay nhiều vịng thì điều này khơng có lợi, bỏi vì khi đó ta phải xử lý
đếm số vịng quay của trục.
Ngồi ra khi thiết kế encoder tuyệt đối, nếu đòi hỏi độ chính xác càng cao thì cần
càng nhiều vịng lỗ, dẫn đến sự giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia cơng
chính xác các lỗ q nhỏ là khơng thê thực hiện. Ngồi ra việc bố trí dãy đèn led và cảm
biến thu cũng chiếm một diện tích rất lớn trong trường hợp này.
Tuy nhiên, điều này đã được khắc phục bằng incremetal encoder một cách khá
đơn giản. Vì vậy, incremetal được sử dụng nhiều trong những ứng dụng hiện đại.
Nguyên lý hoạt động của incremetal encoder: incremetal encoder sẽ tăng một
đơn vị khi có một lần lên xuống của cạnh xung, nghĩa là khi led quét qua một lỗ thì
encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm.
Để đếm được số vòng động cơ đã quay và hạn chế sai số xung tích lũy (trong
trường hợp có rung động khơng thể kiểm sốt có thể gây ra sai số xung đếm được ở
encoder), một lỗ định vị được thêm vào để đếm số vòng quay của encoder (hình dưới)
GVHD: Th.s Đồn Minh Hải
Trần Minh Thơng
Nguyễn Trần Vũ

SVTH: Nguyễn Đình Dũng