Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
LỜI NÓI ĐẦU
rong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước thời kỳ công nghiệp
hoá-hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn.
Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những
nhiệm vụ nặng nề. Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt
huyết của những trí thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tương lai. Với sự phát triển nhanh chóng
của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tự động hóa
- tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày.
T
Trong đó Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triển
nhanh trong ngành điều khiển và tự động hoá. Trong những hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ và
moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến một thiết bị đáp ứng.Đây là thách thức và các nhà
khoa học, nhà sản xuất đã chế tạo ra một loại động cơ thể làm được nhiệm vụ này đó là động
cơ servo. Ngày nay hệ thống servo được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy yêu cầu
sự chính xác cao. Đối với trường học việc tìm hiểu về động cơ servo là rất hạn chế nên tôi cũng
muốn tìm hiểu về nó để có thể hiểu về động cơ này
Vì thời gian nghiên cứu và điều kiện thực hiện hạn chế nên chắc chắn không tránh được
các sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô và các bạn để đề tài được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện
Biện Quốc Thoại
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 1
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
LỜI CẢM ƠN
Để đề tài tốt nghiệp“Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC
kết hợp WinCC-Flexible Siemens” đạt được một số mục tiêu đặt ra, hoàn thành đúng thời
gian, Tôi xin chân thành cảm ơn:

TS. Nguyễn Minh Tâm-GVHD -trưởng Bộ môn Tự động hoá công nghiệp-giảng viên
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ bảo,
giúp đỡ về chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ về tài liệu và thiết bị hướng dẫn trong
thời gian thực hiện đề tài để tôi hoàn thành đồ án này.
- Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của toàn thể Giáo Viên Bộ
môn Tự động hoá Công nghiệp, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.
Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo mọi điều kiện tốt nhất để để em hoàn thành đề tài
này một cách tốt nhất.
- Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 05118 đã giúp đỡ và đóng góp ý
kiến và động viên trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của quý thầy cô và các bạn.
Người thực hiện
Biện Quốc Thoại
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 2
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
SINH VIÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG
HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: Biện Quốc Thoại.............................MSSV: 05118051......................
TÊN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ AC-
SERVO BẰNG PLC KẾT HỢP WINCC-FLEXIBLE
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:.........................................................................................
NGÀY HOÀN THÀNH LUẬN VĂN:.............................................................................................
HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PHẦN HƯỚNG DẪN
1)........................................................................................... 1)...................................................
2)........................................................................................... 2)...................................................
3)........................................................................................... 3)...................................................
Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua.
Ngày tháng năm 2010
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
( Ký và ghi rõ họ và tên) ( Ký và ghi rõ họ và tên)
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 3
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
  
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 4
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
  
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 5

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
MỤC LỤC
Đề mục Trang
Lời nói đầu..................................................................................................................................1
Lời cảm ơn..................................................................................................................................2
Nhiệm vụ luận văn .....................................................................................................................3
Nhận xét của GVHD...................................................................................................................4
Nhận xét của GVPB....................................................................................................................5
Mục lục........................................................................................................................................6
PHẦN 1 . ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................11
I. Lý do chọn đề tài..............................................................................................................12
II. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................................12
III. Giới hạn nghiên cứu.......................................................................................................13
IV. Nhiệm vụ nghiên cứu.....................................................................................................13
V. Đối tượng nghiên cứu.....................................................................................................13
VI. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................14
VII. Nội dung của đề tài.......................................................................................................14
PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ........................................................................................15
CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ LUẬN....................................................................................16
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ.........................................................16
1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG..........................................16
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO................................17
2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP:...............17
2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):.................................................17
2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):.......................................18
2.1.3 Điều khiển vòng kín(full-closed loop):....................................18
2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG SERVO:.........................................................19
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 6
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM

bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.1 Xu hướng trong điều khiển chuyển động dùng servo:.................19
2.2.2 Hệ thống servo:............................................................................20
2.2.2.1 Hệ thống servo là gì?:..........................................................21
2.2.2.2 Cơ cấu định vị:....................................................................21
2.2.2.3 Cơ cấu chuyển động định hướng:.......................................21
2.2.2.4 Backlash và hiệu chỉnh:.......................................................22
2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo:....................................................23
2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO.........................................24
2.3.1 Cấu tạo:........................................................................................24
2.3.2 Đặc tính của động cơ servo:........................................................25
2.3.2.1 Tăng tốc độ đáp ứng:...........................................................25
2.3.2.2 Tăng khả năng đáp ứng:......................................................26
2.3.2.3 Mở rộng vùng điều khiển(control range):...........................26
2.3.2.1 Khả năng ổn định tốc độ:....................................................27
2.3.2.1 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ:..............................27
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của encoder:..........................................28
2.4 TÌM HIỂU VỀ DÒNG SẢN PHẨM SIGMA AC-SEVO CỦA YASKAWA.........30
2.4.1 Động cơ Ac-Servo (SGM-******).......................................................30
2.4.1.1 Sơ đồ cấu trúc động cơ Ac-Servo (SGM-******)........................30
2.4.1.2 Thông số động cơ .........................................................................31
2.4.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ.................................................31
2.4.2 Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK (SGD*-***S)......31
2.4.12.1 Thông số bộ điều khiển driver SERVOPACK (SGD*-****).....32
2.4.12.2 Sơ đồ chân của driver SERVOPACK (SGD-02AS)...................33
2.4.12.3 Nguyên lý điều khiển của driver trong mod điều khiển tốc độ
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 7
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
và moment...................................................................................35

2.4.3 Màng hình điều khiển DIGITAL OPERATOR (JUSP-OP02A,
JUSP-OP03A)........................................................................................39
2.4.3.1 Thông số của màng hình điều khiển Digital Oprater (JUSP-
OP02A, JUSP-OP03A)................................................................40
2.4.3.2 Chức năng và hướng dẫn sử dụng Digital Oprater
(JUSP-OP02A)...............................................................................40
2.4.3.3. Cài đặt thông số cho mod tốc độ và moment với màng hình
điều khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A, JUSP-OP03A) .........46
2.4.4 Kết nối động cơ Ac-Servo (SGM-******) và với màng hình điều
khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A) với driver SERVOPACK
(SGD*-****) .........................................................................................50
CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC......................................52
3.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7_200
3.1.1 Đặc điểm bộ điều khiển loic khả trình (PLC):.........................52
3.1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200..................................................52
3.1.3 Cấu trúc bộ nhớ S7-200................................................................52
3.1.4 Xử lý chương trình........................................................................53
3.1.5 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành................................54
3.2.. BỘ ĐẾM XUNG TỐC ĐỘ CAO ( HSC: HIGHT SPEED COUNTER).
3.2.1 Giới thiệu về HSC...........................................................................55
3.2.2 Số lượng bộ đếm HSC có trong PLC và tần số tối đa cho phép
3.2.3 Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC.....................55
3.2.4 Các mode đếm của bộ đếm..........................................................55
3.2.5 Ý nghĩa các bit của byte trạng thái khi lập trình cho HSC......59
3.2.6 Ý nghĩa các bit của byte điều khiển khi lập trình cho HSC.....60
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 8
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
3.2.7 Chọn kiểu Reset, Start và tần số đếm cho HSC .......................61
3.2.8 Byte trạng thái và byte điều khiển của HSC3,HSC4,HSC5....61

3.2.9 Giá trị tức thời, giá trị đặt.......................................................61
3.2.10 Các bước khởi tạo bộ đếm HSC...........................................62
3.3............................................................... CHƯƠNG TRÌNH NGẮT
...................................................................................................................63
3.3.1 Giới thiệu về ngắt trong S7 200............................................63
3.3.2 Các lệnh sử dụng khi lập trình điều khiển ngắt......................63
3.3.3 Các sự kiện gây ngắt..............................................................64
3.3.4 Các bước lập trình khi sử dụng ngắt......................................64
3.4.............................................. MODUL ANALOG ( EM321, EM323)
...................................................................................................................65
3.4.1 Modul EM231..................................................................................65
3.4.1.1 Giới thiệu về Modul EM231..................................................65
3.4.1.2 Đọc tín hiệu analog qua modul EM232..................................66
3.4.2 Modul EM232..................................................................................67
3.4.1.1 Giới thiệu về Modul EM231...................................................67
3.4.2.2 Xuất tín hiệu analog qua modul EM232.................................67
3.5.................................................................. TỔNG QUAN VỀ OPC
...................................................................................................................67
3.5.1 OPC supermarket Analogy....................................................67
3.5.2 OPC Defined..........................................................................67
3.5.3 Ứng dụng của việc giao tiếp OPC..........................................68
3.5.4 OPC Server.............................................................................68
3.5.5 OPC Client ............................................................................68
3.5.6 Cách thức mà Server và Client làm việc với nhau.................69
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 9
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
3.5.7 Tên các cấp bậc trong hệ thống.............................................69
CHƯƠNG IV: WINCC FLEXIBLE VÀ HMI.....................................................................70
4.1 Giới thiệu về SIMATIC HMI............................................................70

4.2 Giới thiệu về WinCC Flexible..........................................................71
4.3 Một số thuộc tính nổi bật trong WinCC Flexible..............................72
4.3.1 Thiết lập giao thức kết nối.............................................................72
4.3.2 Tags và Tags Group........................................................................74
4.3.3 Thiết kế giao diện cho HMI...........................................................74
4.3.4 Một số hàm sử dụng......................................................................75
CHƯƠNG V: ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ.............................................................................77
5.1 Ưu điểm của đề tài..........................................................................77
5.2 Ưu điểm của đề tài..........................................................................77
PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................78
I. Kết luận....................................................................................................79
II. Kiến nghị................................................................................................80
PHẦN 4 : TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ THƯ MỤC ĐÍNH KÈM .................................81
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 10
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
PHẦN I
ĐẶT VẤN ĐỀ
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 11
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
gày

nay,

vớ
i
sự

phá
t t
r
i
ển

nhanh

chóng

của

khoa

học

và

công

nghệ
t
rên
t
ấ
t
cả

các
lĩ

nh

vực
t
h
ì
các

sản

phẩm

ngày

càng

phả
i
có

yêu

cầu
cao

hơn

về

chấ

t l
ượng

sản

phẩm,

mức

độ
t
ự

động

hoá

sản

xuấ
t
và
đặc

b
i
ệ
t l
à

độ

ch
í
nh

xác

g
i
a

công

về

h
ì
nh dáng

h
ì
nh

học.
Sự phát
triển của nền công nghiêp robot hiện đại cũng gắn liền với việc điều khiển chuyển động
và là tiền đề cho phát triển nền công nghiệp.Với hệ thống SCADA, khả năng quản lý từ
xa toàn bộ hệ thống và các thiết bị tự động trong hệ thống trở nên rất hiệu quả. Khi có
sự cố ở bất kì phân đoạn nào hệ thống sẽ tự động phân tích và gửi về, người vận hành sẽ

nhận tín hiệu thông báo qua giao diện người máy( Human Machine Interface, HIM) của
các phần mềm điều khiển chuyên dụng như Wincc hay Wincc-Flexible. Người vận hành
chỉ cần ngồi tại bàn điều khiển trung tâm, theo dõi và giám sát toàn bộ hệ thống thay vì
phải chạy xuống tận chỗ để kiểm tra khi có sự cố xảy ra trong hệ thống. Nhận thấy được
sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống điều khiển servo trong quá trình sản xuất cũng như
nhu cầu của xã hội về lĩnh vực này,tôi đã thực hiện đề tài: “Điều khiển vận tốc và
moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens” để hiểu rõ hơn
về bản chất của điều khiển tốc độ và moment, hiểu được quy trình điều khiển một hệ
thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu.
N
II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu đặt ra với đề tài “Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết
hợp WinCC-Flexible Siemens” là cần nắm vững, hiểu rõ cách thức hoạt động điều khiển của
AC-Servo, hiểu rõ được driver điều khiển động cơ, cách thức điều khiển từ PLC qua winCC.
Từ mô hình thực tế này tạo giao diện, xây dựng các thuật toán điều khiển và lập trình cho bộ
động cơ.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 12
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
III. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
- Vì lý do kinh tế và điều kiện khách quan, đề tài chỉ dừng lại ở việc làm mô hình
điều khiển đơn giản để mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống servo.
- Điều khiển tốc độ và moment trên một mô hình nhỏ gồm: PLC Siemens
S7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA.
- Điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0.
- Giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexible bằng phần PC
Access.
- Tạo giao diện trên WinCC để điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCC Flexible.
IV. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Để hoàn thành được mục tiêu đề ra, những nhiệm vụ được đặt ra như sau:

– Tham khảo tài liệu, tìm hiểu về những lĩnh vực có liên quan đến điều khiển
tốc độ và moment của động cơ AC-Servo
– Tìm hiểu về PLC-S7200 đấu nối phần cứng và cách thức lập trình, WinCC
Flexible cách thức sử dụng và cách tạo giao diện cho một chương trình ứng dụng.
– Tìm hiểu cách kết nối giữa PLC-S7200 và bộ động cơ AC-Servo, cách thức
điều khiển tốc độ và moment của bộ động cơ AC-Servo bằng WinCC Flexible qua PLC-S7200.
– Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ.
V. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
– PLC Siemens S7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA.
– Chương trình điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0.
– Thiết lập giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexible
bằng phần PC Access.
– Tạo giao diện điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCC Flexible.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 13
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
VI. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
– Tham khảo, tra cứu thông tin từ các tài liệu khoa học.
– Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các máy gia công cơ khí.
– Sử dụng các thiết bị điều khiển tự động của hãng Siemens PLC S7-200,servo
của YASKAWA.
– Làm mô hình.
– Lập trình và mô phỏng trên máy tính.
– Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thiết bị của nhà trường.
VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC
CHƯƠNG 4:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 14

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
PHẦN II
GIẢI QUYẾT
VẤN ĐỀ
CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 15
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ
Từ xưa khi chưa có phát minh ra động cơ, lúc đó chủ yếu sử dụng các máy móc
chay bằng xăng dầu cấu tạo phức tạp năng nề, cồng kềnh mà lại hiệu suất không, gây
tiếng ồn. Từ khi động cơ được phát minh và đưa vào sử dụng thay thế cho các máy móc
chạy bằng xăng dầu đã đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Động cơ cũng không ngừng phát triển đa dạng và nhiều chức năng khác nhau, ví
dụ như động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng
bộ, động cơ một pha, động cơ ba pha, và trong tất cả các lĩnh vực.
Ngày nay về tương lai động cơ được phát theo hướng điều khiển được dễ dàng,
chính xác, điều khiển vòng kín (hồi tiếp): động cơ đặc biệt, động cơ bước, động cơ
servo…

1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG
Hiện nay, tất cả các lĩnh vực điều có sử dụng động cơ Servo, do đó sản phẩm động
cơ Ac-Servo được sản xuất nhiều, nhiều hãng sản xuất như YASKAWA, PANASONIC,
OMRON, FANUC….với rất nhiều loại Ac-servo dung vao nhiều mục đích sử dụng khác
nhau.
Các sản phẩm làm ra từ các máy trong đó có sử dụng động cơ servo thường độ
chính xác cao và mẫu ma đẹp do đó động cơ servo đuọc sử dụng nhiều đặc biệt trong
nghành tự động hoá nói chung và nghành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất các máy gia
công chinh xác nói riêng.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU
KHIỂN SERVO
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 16
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG
NGHIỆP:

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với các hệ thống điều khiển.Công
nghệ ngày càng hiện đại đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu
khắt khe để đảm bảo quá trình sản xuất.
Sự phát triển các hệ thống điều khiển được tóm tắt như sau:
– Điều khiển vòng hở (open loop)
– Điều khiển nửa kín (semi-closed loop)
– Điều khiển vòng kín(full-closed loop)
Sau đây giới thiệu sơ lược về các nguyên tắc điều khiển
Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thông số X của đối tượng A.
Trong trường hợp điều khiển vòng hở thì đối tượng A sẽ được điều khiển mà không cần
quan tâm đến thông số X và thực tế thì thông số X sẽ được người điều khiển quan sát và
thao tác để điều khiển đối tượng A.
Trong trường hợp semi-closed loop thì hệ thống điều khiển sẽ nhận dạng một
thông số Y không phải là thông số X nhưng qua nó có thể ước lượng hoặc đại diện cho
X. Như vậy tính "quan sát = mắt" được loại bỏ một phần. Tuy nhiên sai số của mô hình
khá cao do các sai số về cơ và điện. Mô hình này được áp dụng chủ yếu là lý do về mặc
giá thành hoặc đôi khi thông số X không thể đo đạc được. Độ chính xác của nó dĩ nhiên
là cao hơn opened loop.
Và cái cuối cùng đó là closed loop, dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng X
được trực tiếp feedback về hệ thống điều khiển để xử lý.
2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):
Bộ điều khiển vị trí chỉ thị lệnh cho động cơ quay, nhưng chỉ quay mà thôi, quay

tới quay lùi mà không cần biết quay bao nhiêu vòng cho bàn chạy đến vị trí nào…, nó
chỉ dừng khi có tác động từ con người hay từ một hệ thống ra lệnh nào đó bên ngoài nó.

2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 17
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
Hình này có điểm khác so với hình trên. Đó là số vòng quay của motor được mã
hóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí. Nghĩa là đến đây thì động cơ chỉ quay một số
vòng nhất định tùy thuộc vào “lệnh” của bộ điều khiển, nói cách khác bộ điều khiển có
thể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồ của
người thiết kế. Tuy nhiên cái mà chúng ta cần điều khiển chính là vị trí của bàn chạy
chứ không phải là việc động cơ quay bao nhiêu vòng thì dừng .... Đối tượng là cái bàn

2.1.3 Điều khiển vòng kín (full-closed loop):
Hình này rõ ràng là khác hẳn so với 2 hình kia. Vòng hồi tiếp lúc này không phải
hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông
qua một thướt tuyến tính. Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay
của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do
sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ. Vòng điều khiển
lệnh và hồi tiếp khép một vòng kín quét lên toàn bộ thiết bị liên quan cho nên nó được
gọi là vòng kín.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 18
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐỘNG CƠ SERVO:
2.2.1 Xu hướng trong điều khiển chuyển động dùng servo:

Điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) có lẽ là một trong những lĩnh vực đa dạng và
phát triển nhanh nhất trong ngành điều khiển và tự động hoá. Các khái niệm và công

nghệ ĐKCĐ đã từ lâu không chỉ gói gọn trong những hệ thống servo chuyên dụng điều
khiển bởi các hệ truyền động và thiết bị tạo sẵn thường có giá khá cao. Thay vào đó,
ngày nay ta còn thấy các tính năng của ĐKCĐ ứng dụng cả cho tốc độ và vị trí trong
truyền động thay đổi tần số xoay chiều, các động cơ bước và truyền động vòng kín cũng
như các hệ truyền động và động cơ servo AC và DC thông dụng khác.
Hiện nay có một số xu hướng trong điều khiển động cơ. Trong một số trường
hợp, vấn đề cần quan tâm chỉ đơn giản là điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen hoặc các
thuộc tính khác của động cơ trên cơ sở tín hiệu điều khiển đầu vào là từ phía con người,
chẳng hạn như qua bảng điều khiển. Việc điều khiển bằng tay như vậy thuộc về phạm
trù điều khiển vòng hở. Trong một số trường hợp khác, động cơ phải tự động đưa ra các
đáp ứng với các tác động thời gian thực. Các đáp ứng đối với các tác động này được
quan sát và các điều chỉnh cần thiết được tự động tạo ra. Vì vậy, nó tạo ra một môi
trường điều khiển kín. Các điều khiển vòng lặp kín như vậy được gọi là hệ tùy động
servo, hay chỉ đơn giản là servo.
Điều khiển servo là một quá trình xử lý tín hiệu liên quan đến điều khiển động cơ
trên cơ sở động học của các tín hiệu vào như vị trí, tốc độ hay mômen. Trong quá khứ
người ta sử dụng các mạch tương tự để thực hiện điều khiển servo, nhưng khả năng
thích nghi của các bộ vi xử lý tín hiệu số đã tạo ra một công nghệ mới cho sự lựa chọn
trong nhiều ứng dụng.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 19
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.2 Hệ thống servo:
2.2.2.1 Hệ thống servo là gì?
Servo bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là Servus (servant), nghĩa là nô lệ, đày tớ. Một
hệ thống được gọi là servo khi hệ thống đó chấp hành một cách chính xác mệnh lệnh
của chủ nhân (tức là người điều khiển.Hệ thống servo là hệ thống điều khiển các
thiết bị cơ học với các biến là biến vị trí và tốc độ (giá trị đặt và giá trị thực). Sau
đây là một ví dụ minh họa.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 20

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.2.2 Cơ cấu định vị:
Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí
và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo
bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vị trí
và tốc độ.
Cơ cấu định vị điều khiển bởi servo motor
Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng
thay đổi vị trí đích và tốc độ của cơ cấu chấp hành.
2.2.2.3 Cơ cấu chuyển động định hướng:
Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định từ bộ điều khiển.
Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến hay quay.

Ưu điểm là cơ cấu chấp hành đơn giản và nâng cao tuổi thọ hộp số truyền động (do
truyền động khá êm).
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 21
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.2.4 Backlash và hiệu chỉnh:
Backlash hiểu nôm na đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo.Tất cả
các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều
dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0).
Xét một chuyển động tịnh tiến lùi và tới như trong hình sau:

Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo. Chuyển động
tới và lùi được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình. Như vậy động cơ sẽ quay
theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh
quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không được vượt quá khoản trống (đây là một
trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo). Giới hạn này được gọi

là backlash, từ nay hễ gặp từ backlash thì chắc các bạn đã hiểu nó là cái gì rồi đúng
không. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt
trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có
một sự bù trừ cho nó. Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiện
việc bù trừ, hiệu chỉnh này. Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệu
chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽ không
được tính đến trong bộ đếm xung.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 22
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo:
Sau đây là một sơ đồ khối hệ truyền động servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ
Trong đó phần A, B, C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh.
Phần D, E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A, B, C thì khá phổ dụng trong các sơ
đồ khối điều khiển, phần D, E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi
chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau. Sau đây là một số ví dụ về phần D,
E thường gặp:


SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 23
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO:
2.3.1 Cấu tạo:
Động cơ servo về nguyên lý, cấu tạo phần điện - từ thì giống như các loại động cơ
bình thường (nghĩa là cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, cách đấu dây, .v.v.)
nhưng có sự khác biệt về cấu trúc cơ học, đó là động cơ servo có hình dáng dài, đường
kính trục và rotor nhỏ hơn động cơ thường cùng công suất, moment.
Điểm nổi bật của 1 servo motor là tích hợp sẵn cơ cấu feedback vào bên trong
động cơ. Động cơ servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi

tiếp vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển họat động của một động cơ
servo. Với lý do nêu trên nên sensor đo vị trí hoặc tốc độ (encoder hoặc máy phát tốc) là
các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho một động cơ servo
Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ servo AC dựa trên
nền tảng động cơ AC lồng sóc; Động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC; và
động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ, và động
cơ đồng bộ.
Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo. Động cơ
servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. Chính vì thế nó
phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển. …). Tuy
nhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho những
mục đích đặc biệt) so với động cơ thường để phục vụ cho các mục đích điều khiển cụ
thể.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 24
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.3.2 Đặc tính của động cơ servo:
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng 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
Đặc tính vận hành của một động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và
phương pháp điều khiển động cơ servo
2.3.2.1 Tăng tốc độ đáp ứng:
Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có
một khoản thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải
tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn
nhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất. Ví dụ bạn muốn điều khiển một
cơ cấu từ vị trí X đến vị trí X’, ban đầu khi ở xa vị trí X’ thì động cơ quay với vận tốc

lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể
đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí. Các động cơ
thường không thể đáp ứng được điều này. Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên
thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.
Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ.
Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ
các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt
Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ nam
châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 25