Bài giảng Hệ thống truyền động servo

4/18/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA CƠ KHÍ

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

Nội dung bài giảng
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền
động servo.

 Chương 2: Động cơ DC Servo
 Chương 3: Động cơ AC Servo

 Chương 4: Điều khiển chuyển động cho
hệ truyền động Servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1


4/18/2023

Chương 1: Tổng quan về hệ thống
truyền động servo
 1.1. Giới thiệu hệ thống truyền động servo
 1.2. Sơ đồ hệ thống truyền động servo

 1.3. Ứng dụng của hệ thống truyền động
servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.1. Giới thiệu hệ thống
truyền động servo

o Hệ truyền động servo (Servo Drive System) là hệ thống điều

khiển chuyển động (vị trí, tốc độ, dịng diện) của kết cấu cơ khí
theo kiểu điều khiển vịng kín (Closed – loop feedback).

o Hệ truyền động servo thường được sử dụng trong các ứng
dụng chuyển động được điều khiển với độ chính xác cao, đặc
biệt là trong các hệ thống yêu cầu phản hồi nhanh và có độ tin
cậy lớn với các tín hiệu đặt và lệnh điều khiển.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2


4/18/2023

1.1. Giới thiệu hệ thống
truyền động servo

o Hệ truyền động servo thường được có các loại sau:
 Thủy lực (Hydraulic)

 Khí nén (Pneumatic)

 Điện cơ (Electromechanical)

o Học phần sẽ đề cập chủ yếu đến truyền động servo theo kiểu
điện cơ (sử dụng động cơ điện), đây đồng thời cũng là cách

sử dụng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển chuyển động
chính xác trong cơng nghiệp bởi sự tiện lợi và phổ biến của các
động cơ loại này.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.1. Giới thiệu hệ thống
truyền động servo

o Các động cơ servo phổ biến:

 DC Servo (Direct Current Motor)

 AC Servo (Alternating Current Motor)
 Hybrid Servo (Step Motor)

o Chú ý: bên cạnh các servo kể trên, cịn có một loại servo khá
thông dụng là RC Servo (Radio Control Servo) hay được sử
dụng trong các mơ hình điều khiển từ xa qua sóng vơ tuyến, hệ
thống nhúng, …

o Học phần này sẽ đề cập chủ yếu đến hai loại động cơ hay
được sử dụng là DC Servo và AC Servo (ở các chương sau).
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3


4/18/2023

1.1. Giới thiệu hệ thống
truyền động servo

o Một số yêu cầu đối với hệ truyền động servo:
 Dải tốc độ lớn

 Độ chính xác cao trong di chuyển

 Có đủ độ cứng truyền động và độ ổn định tốc độ cao
 Phản hồi nhanh và khơng có độ q điều chỉnh.
 Vận tốc thấp tại tải lớn
 Khả năng quá tải
 Độ tín cậy lớn.

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Cấu trúc của các hệ truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

4

4/18/2023

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Một số thành phần của động cơ servo

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Driver & động cơ servo của hãng Mitsubishi
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

5


4/18/2023

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Motion module của
hãng Mitsubishi

Card PCI Express/PCI (Motion
Control Boards)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Cấu trúc điều khiển trong hệ truyền động servo
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

6


4/18/2023

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

Tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển chính đến driver động cơ

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

o Driver và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế
độ điều khiển vịng kín.

o Tín hiệu phản hồi về từ động cơ bao gồm: vị trí, vận tốc,

moment của động cơ servo được so sánh với giá trị đặt trước
và từ đó xác định được sai lệch điều khiển.

o Sau đó, driver sẽ sử dụng các thông tin sai số này để điều
chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá

trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng
dụng.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

7


4/18/2023

1.2. Sơ đồ hệ thống
truyền động servo

o Các mạch vòng điều khiển thường bao gồm ba mạch vòng sau:
 Mạch vòng điều khiển dòng điện.
 Mạch vòng điều khiển tốc độ.
 Mạch vịng điều khiển vị trí.

o Khơng phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba
dạng mạch vòng điều khiển vừa nêu. Nhiều ứng dụng chỉ gồm

có mạch vịng dịng điện và mạch vịng tốc độ dùng cho điều
khiển tốc độ. Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạch vịng điều
khiển để điều khiển vị trí.
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.3. Ứng dụng của hệ thống
truyền động servo

o Các ứng dụng phổ biến của hệ truyền động servo trong công
nghiệp:
 Ứng dụng trong điều khiển robot
 Hệ thống máy CNC

 Các dây chuyền tự động hóa:
• Máy may khẩu trang

• Hệ thống lưu kho tự động

• Hệ thống dao cắt bay, cắt quay
• Hệ thống máy cắt túi nilon

• Hệ thống máy đóng gói, ….
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

8


4/18/2023

1.3. Ứng dụng của hệ thống
truyền động servo

Ứng dụng trong việc điều khiển các khớp của robot công nghiệp
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Chương 2: Động cơ DC Servo
 2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

 2.2. Điều khiển động cơ DC Servo
 2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

9


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

o Động cơ DC Servo có các thành phần chủ yếu sau:

 Thành phần động cơ: ở đây sử dụng động cơ một chiều DC
 Thành phần hồi tiếp – encoder

o Bên cạnh đó, động cơ DC Servo thường được gắn thêm hộp
số để có thể tăng được moment trục động cơ

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

Động Cơ DC Servo
JGB37-545

Động Cơ DC Servo JGY370
High Torque Self-Lock DC
Geared Motor

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

10


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1. Encoder

o Theo công nghệ, có các loại encoder:
 Magnetic (loại từ trường)
 Mechanical (loại cơ khí)
 Resistive (loại điện trở)
 Optical (loại quang)

o Theo nguyên lý hoạt động, encoder được chia làm hai loại
chính:

 Encoder tương đối (Incremental Encoder)
 Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1. Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

11


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1. Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Một số tín hiệu hay được sử dụng để xác định tốc độ động cơ:
 Tín hiệu xung ở mức thấp 0( )
 Tín hiệu xung ở mức cao 5( )
 Tín hiệu sườn lên của xung

 Tín hiệu sườn xuống của xung

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1. Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

12


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều

o Động cơ điện một chiều có 2 thành phần chính là stato (phần
cảm) và roto( phần ứng).

Mặt cắt dọc trục và ngang trục động cơ một chiều

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều
o Phần cảm stato:

 Có tác dụng tạo ra từ trường.

 Được làm bằng thép đúc vừa đề dẫn từ vừa làm vỏ máy.

 Gồm cực từ chính và cực từ phụ kết hợp với dây quấn kích
từ được gắn chặt vào thân máy nhờ bu lơng.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

13


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều
o Phần ứng roto:

 Tạo ra chuyển động quay.

 Bao gồm lõi sắt, dây quấn phần ứng, chổi than và cổ góp.

 Dây quấn phần ứng được kết nối với mạch điện ngồi thơng
qua chổi than và cổ góp.

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều
o Một số bộ phận khác:

 Cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy

 Trục máy, trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cành
quạt, thường được làm bằng thép cacbon.
 Ổ bi.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

14


4/18/2023

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều

o Phân loại động cơ một chiều:

Động cơ một chiều được phận chia theo phương pháp kích từ:
 Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
 Kích từ độc lập
 Kích từ nối tiếp

 Kích từ song song
 Kích từ hỗn hợp

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1. Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2. Động cơ một chiều

o Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều:
=

+

ư

+

Sức điện động phần ứng động cơ:
=

2

=

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

15


4/18/2023

2.2. Điều khiển động cơ DC Servo
o Mơ hình hóa động cơ DC

Phương trình mạch vịng điện áp phần ứng động cơ DC:
=

=

+

ư ư

+

ư

×

ư

Phương trình cân bằng momen trên trục động cơ:
=
=

+ ×

+

ư

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.2. Điều khiển động cơ DC Servo

o Mơ hình hóa động cơ DC

Trong đó:




ư

=

ư⁄ ư

- hằng số điện từ của động cơ

= ⁄ - hằng số cơ của hệ thống

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

16


4/18/2023

2.2. Điều khiển động cơ DC Servo

o Điều khiển vòng kín

Mạch vịng điều khiển tốc độ:

Ꙍ * +

-

Ꙍ

Bộ điều
khiển
Tốc độ

U*, i*
Khâu giới hạn

+
-

U,I

Nguồn

Bộ điều
khiển
U, I

Mạch
driver

Mạch lọc

Đo dòng, áp

Mạch lọc

Bộ biến đổi
(Mạch lực)
DC

_motor+
Encoder

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo
o Mơ hình động cơ DC Servo trong phần này được xây dựng trên
toolbox Simulink của phần mềm MATLAB.

o Do động cơ DC Servo được xây dựng trên nền tảng là động cơ

một chiều DC nên phần này sẽ tập trung vào phần mô phỏng
hoạt động và các bài tốn điều khiển cơ bản cho động cơ,
tín hiệu tốc độ đọc về encoder coi như là đạt được.

o Để khởi động Simulink, gõ lệnh sau trên Command Window:
>> simulink

hoặc nhấn nút trên thanh công cụ
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

17


4/18/2023

2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC.
Mạch vòng điều khiển tốc độ: Động cơ được mô phỏng với bộ
thông số sau:



ư

= 0.5 Ω ;
= 1.6;

ư

ư

=

= 0.1;
ư⁄ ư

;

= 5;

= 0.01;

= ⁄

= 200

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mơ phỏng điều khiển động cơ DC.
Mạch vịng điều khiển tốc độ: Trường hợp

=0

Tại tốc độ
đặt bằng
=
800

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

18


4/18/2023

2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC.
Mạch vịng điều khiển vị trí: Động cơ được mô phỏng với bộ
thông số sau:




ư

= 0.5 Ω ;
= 1.6;

ư

ư

=

= 0.1;
ư⁄ ư

;

= 5;

= 0.01;

= 200

= ⁄

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.3. Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mơ phỏng điều khiển động cơ DC.
Mạch vịng điều khiển vị trí

∗

= 100

∗

= 200

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

19


4/18/2023

Chương 3: Động cơ AC Servo
 3.1. Động cơ không đồng bộ
 3.2. Động cơ đồng bộ

 3.3. So sánh động cơ AC Servo và DC
Servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1. Động cơ không đồng bộ
o Động cơ không đồng bộ (Induction Motor/ Asynchronous Motor)
thuộc nhóm máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm

ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của rotor khác với tốc độ của
từ trường quay trong máy.

o Hiện nay rất nhiều động cơ dung trong công nghiệp, nông

nghiệp, lâm nghiệp,… đều là động cơ khơng đồng bộ bởi loại
động cơ này có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ và
chi phí bảo trì thấp.

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

20


4/18/2023

o Cấu tạo

3.1. Động cơ không đồng bộ

 Gồm hai bộ phận chủ yếu:
• Stator (phần tĩnh)

• Rotor (phần quay)

 Một số thành phần khác:

• Vỏ máy, nắp máy và trục máy.

• Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối
trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Stator

3.1. Động cơ không đồng bộ

 Lõi thép (mạch từ):

• Có dạng hình trụ, là bằng các lá thép kỹ thuật điện

• Được dập rãnh bên trong và ghép là với nhau tạo thành
các rãnh theo hướng trục.

• Các rãnh này được sử dụng để đặt dây quấn.
• Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

21


4/18/2023

o Stator

3.1. Động cơ khơng đồng bộ

 Dây quấn stator:

• Được chế tạo bằng dây điện từ (đồng/nhôm) và đã được
bọc cách điện.

• Được quấn thành các bối dây đặt vào rãnh của mạch từ

• Trước khi đặt các bối dây, các rãnh được lót thêm các lớp
cách điện để tránh tiếp xúc giữa các phần từ dẫn điện và
các phần tử dẫn từ.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Rotor

3.1. Động cơ khơng đồng bộ

 Lõi thép:

• Được chế tạo bằng thép kỹ thuật điện, gồm nhiều lá mỏng
ghép lại với nhau.

• Trên các lá thép có xẻ rãnh đặt dây quấn nhưng được đặt
ở bên ngồi.

• Ở giữa có lỗ để gắn trục động cơ.

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

22

4/18/2023

3.1. Động cơ không đồng bộ

3.1.2. Nguyên lý hoạt động

 Khi ta cấp dòng điện 3 pha tần số
sẽ tạo ra từ trường quay có

vào 3 dây quấn stator

đơi cực từ, quay với tốc độ

.

 Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor làm
xuất hiện sức điện động.

 Dây quấn Rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng


sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Rotor.

Lực tương tác giữa từ trường quay và thanh dẫn sẽ kéo

rotor quay tốc độ

cùng chiều với từ trường quay.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1. Động cơ không đồng bộ

o Một số công thức về tốc độ quay
60
=
=

−

= 1−

= 1−

×

60

Trong đó:




: tốc độ quay của từ trường

: tốc độ quay của rotor động cơ

: hệ số trượt

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

23


4/18/2023

3.1. Động cơ không đồng bộ

3.1.3. Điều khiện động cơ khơng đồng bộ ba pha
o Mơ hình hóa động cơ: Một số giả thiết
 Ba pha động cơ là đối xứng.

 Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ
thuộc vào nhiệt độ, tần số, mạch từ khơng bão hóa nên điện
trở, điện kháng,…khơng thay đổi.

 Tổng dẫn của mạch vịng từ hóa khơng thay đổi, dịng từ
hóa khơng phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt stator.

 Bỏ qua tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
 Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1. Động cơ không đồng bộ

o Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ.
Một số cấu trúc điều khiển phổ biến:

 Điều khiển ⁄ (điều khiển vô hướng)
 Điều khiển tựa từ thông rotor

 Điều khiển moment trực triếp

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

24


4/18/2023

3.1. Động cơ không đồng bộ

o Điều khiển ⁄ :

⁄ là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến ở

 Điều khiển

tất cả các loại biến tần.

 Dựa theo nguyên tắc moment xoắn trên trục động cơ không

đồng bộ phụ thuộc vào tỉ lệ tần số và điện áp nguồn cấp, vì
thế mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ ⁄ =

.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1. Động cơ không đồng bộ

o Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control – FOC)
 Lựa chọn hệ tọa độ tĩnh
độ quay

gắn với stator dộng cơ và hệ tọa

gắn vào trục rotor.

 Vector điện áp, dòng điện và từ thơng dược chuyển sang hệ
•
•

như sau:

• Ψ

=

=

=Ψ

+

+

,

+ Ψ ,

=

Ψ

+

=Ψ

+ Ψ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

25