xây dựng mô hình thí nghiệm động cơ servo dùng trong giảng dạy đại học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ
SERVO DÙNG TRONG GIẢNG DẠY ĐẠI HỌC
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011 - 08

S KC 0 0 3 3 9 3

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƢỜNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ SERVO
DÙNG TRONG GIẢNG DẠY ĐẠI HỌC
Mã số: T2011 – 08

Chủ trì
:
Thành viên :

Ths. Lê Hoàng Lâm
Ths. Nguyễn Hoàng Minh
Ths. Lê Hồng Sơn

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƢỜNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ SERVO
DÙNG TRONG GIẢNG DẠY ĐẠI HỌC
Mã số: T2011 – 08

Chủ trì :
Tham gia :

Ths. Lê Hoàng Lâm
Ths. Nguyễn Hoàng Minh
Ths. Lê Hồng Sơn

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2011


MỤC LỤC
Mục lục
Thông tin kết quả nghiên cứu

3
4

A. PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
Nhiê ̣m vu ̣ nghiên cƣ́u
Phƣơng pháp nghiên cƣ́u
Kế t quả đa ̣t đƣơ ̣c của đề tài

8
8
8
8
8
8
9

B. PHẦN NỘI DUNG
Chƣơng I. Tổng quan về động cơ servo
I. Đại cƣơng về động cơ Servo
1. Giới thiệu
2. Ƣu điểm
3. Phân loại
II. Bộ điều khiển và nguyên tắc hoạt động
1. Mạch chính
2. Mạch điều khiển
III. Các đặc tính của động cơ Servo và nguyên tắc hoạt động
1. Đặc tính của động cơ Servo
2. Nguyên tắc hoạt động của servo loại SM
3. Nguyên tắc hoạt động của servo loại IM
IV. Chức năng của Encoder và nguyên tắc hoạt động
1. Cấu trúc Encoder
2. Chức năng của Encoder và các loại tín hiệu
V. Các phƣơng pháp điều khiển vị trí và điều khiển dừng chính xác
1. Các loại điều khiển vị trí
2. Phƣơng pháp điều khiển tốc độ
V. Những vấn đề cơ bản khi điều khiển vị trí dùng Servo
1. Xác định vị trí và số xung/1 vòng quay

2. Cấu hình hệ thống Servo điều khiển vị trí
3. Xung yêu cầu (Xung lệnh)

3

11
11
11
11
13
15
15
17
20
20
20
21
22
22
22
23
23
23
26
26
26
27


4. Ví dụ về cài đặt tỷ số Gear với động cơ Servo

5. Các dạng xung lệnh

Chƣơng II. Mô hình động cơ servo
I. Giới thiệu mô hình động cơ Servo
1. Bộ điều khiển MR-J2S 10A
2. Động cơ servo và tải cho động cơ Servo
3. Panel điều khiển
II. Tính năng của mô hình

28
30

32
32
32
34
34
40

Chƣơng III. Các bài tập thực hành

42

C. PHẦN KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

49
50

4

Trƣờng ĐH Sƣ Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Tp. HCM
Khoa Điện – Điện tử

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Mô hình động cơ Servo dùng trong giảng dạy đại học.
- Mã số: T2011 – 08
- Chủ nhiệm: Ths. Lê Hoàng Lâm
- Tham gia : Ths. Lê Hồng Sơn
Ths. Nguyễn Hoàng Minh
- Cơ quan chủ trì: Trƣờng ĐH Sƣ Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Tp. Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: tháng 03 năm 2011 đến tháng 12 năm 2011
2. Mục tiêu:
Tạo ra mô hình vật lý của động cơ Servo đi kèm với cơ sở lý thuyết về điều
khiển động cơ Servo
3. Tính mới và sáng tạo:
Xây dựng Mô hình động cơ servo có tải
4. Sản phẩm:
- Báo cáo kết quả nghiên cứu.
- Mô hình vật lý động cơ Servo
5. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:
- Áp dụng tại xƣởng Điện, khoa Điện –Điện tử phục vụ nghiên cứu, thực tập
Ngày 28 tháng 11 năm 2011
Cơ quan chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)

Ths. Lê Hoàng Lâm

5


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title:
Building the Model of AC Servo Motor in University
Code number: T2011 – 08
Coordinator: MA. Lam Le Hoang
Partner :

MA. Minh Nguyen Hoang
MA. Son Le Hong

Implementing institution: HCM City University Of Technical Education
Duration: from 03/2011 to 12/2011
2. Objective(s):
Building the Model of AC Servo Motor coming with Theory of Servo Control
3. Creativeness and innovativeness:
Building the Model of AC servo Motor with Load
4. Products:
- Report findings.
- Model of AC servo Motor
5. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

Apply in Electrical Workshop, Faculty of Electrical and Electronic Engineering
to serve Reseaching and Studying

6


A
PHẦN MỞ ĐẦU

7


TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, việc sử dụng các máy CNC trong sản xuất rất rộng rãi. Các máy
CNC này sử dụng động cơ Servo trên các trục điều khiển. Do động cơ Servo có giá
thành rất đắt tiền nên việc tiếp cận tìm hiểu về Servo gặp rất nhiều khó khăn. Chính
vì vậy việc xây dựng một mô hình động cơ servo công suất nhỏ trở nên rất cần thiết
để sinh viên có thể tìm hiểu và thực tập đối với loại máy điện đặc biệt này
Với mu ̣c tiêu tạo ra một mô hình thực tập cho sinh viên, đề tài này sẽ trình bày
các kết quả nghiên cứu về lý thuyết điều khiển của động cơ servo, các chế độ vận
hành, trạng thái hoạt động khi có tải. Tất cả những điều này sẽ đƣợc kiểm nghiệm
lại trên mô hình vật lý
Kế t quả của đề tài s ẽ là cơ sở để sinh viên có thể tiếp cận và làm chủ động cơ
servo
MỤC TIÊU NGHIÊN CƢ́U
Xây dựng mô hình vật lý động cơ servo và lý thuyết về điều khiển động cơ
Servo
ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Động cơ Servo công suất nhỏ
PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Hoạt động của động cơ servo trong điều khiện không tải và có tải
NHIỆM VỤ NGHIÊN CƢ́U
1. Nghiên cƣ́u lý thuyết về điều khiển động cơ Servo.
2. Xây dựng mô hình vật lý
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U
1. Nghiên cứu lý thuyết
Phân tích, tổng hợp các lý thuyết liên quan đến điều khiển động cơ servo
2. Xây dựng mô hình
Xây dựng các bài tập thực hành liên quan đến hoạt động của động cơ Servo

8


KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC CỦA ĐỀ TÀI
1. Báo cáo tổng kết
- Lý thuyết liên quan đến điều khiển động cơ servo
- Các bài tập thực hành điều khiển động cơ Servo
2. Sản phẩm ứng dụng
- Mô hình vật lý dùng thí nghiệm động cơ Servo.
- Ứng dụng tại Xƣởng điện khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ
thuật Tp.Hồ Chí Minh

9


B
PHẦN NỘI DUNG

10

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SERVO
I. Đại cƣơng về động cơ Servo
1. Giới thiệu
Một cơ cấu Servo là 1 hệ thống điều khiển đƣợc cấu hình sao cho khi các
giá trị yêu cầu ( Vị trí, Moment,tốc độ v.v..) đƣợc nhập vào thì hệ thống sẽ
nhận biết các giá trị hiện thời (Vị trí ,tốc độ v.v..) và điều khiển để sự khác
biệt giữa giá trị yêu cầu và giá trị hiện thời là nhỏ nhất
Các thành phần hình thành nên một cơ cấu Servo bao gồm :
 Bộ điều khiển (Servo Amplifier)(Driver)
 Động cơ Servo
 Thiết bị nhận biết (Encoder) (nhận biết các giá trị Moment, tốc độ ,vị
trí v.v..)

Hình 1.1 Các thành phần của cơ cấu Servo
2. Ƣu điểm của động cơ Servo
So sánh với các loại động cơ thông thƣờng khác, động cơ Servo có Moment
quán tính của Rotor và đáp ứng điện đƣợc thiết kế sao cho có khả năng đáp
ứng những thay đổi đột ngột của dòng điện và điện áp từ Bộ điều
khiển(Driver). Bộ điều khiển cũng đƣợc thiết kế để các lệnh điều khiển Vị
trí, tốc độ , Moment nhanh chóng truyền đến động cơ Servo
11


2.1. Các đặc tính chính của động cơ Servo
Đƣờng đặc tính cơ N=f(T) thƣờng đƣợc dùng để biểu diễn các tính chất
của 1 loại động cơ. Hình 1.2 so sánh đƣờng đặc tính cơ của động cơ
Servo và 1 động cơ thông thƣờng điều khiển bởi biến tần có tính năng

thông thƣờng

Hình 1.2 So sánh đặc tính Moment giữa Servo và Biến tần
Qua hình vẽ trên có thể thấy đƣợc 3 đặc tính của động cơ Servo
 Phạm vi điều khiển tốc độ rộng
 Đặc tính Moment là hằng số trong suốt quá trình hoạt động với
tốc độ cao và tốc độ thấp
 Moment cực đại lớn
Chú ý rằng Moment cực đại lớn và Moment quán tính nhỏ thì
việc tăng tốc/giảm tốc đột ngột có thể thực hiện đƣợc
Bảng 1.3 Các chức năng chính của động cơ Servo
Đặc tính
Chi tiết
Phạm vi điều
1:1000
Động cơ Servo có thể hoạt động ở tốc độ
chỉnh tốc độ
(1:10)
1/1000 tốc độ định mức mà không cần quan
tâm đến độ ổn định quay cũng nhƣ giảm
Moment
Moment
Moment không bị
Moment là hằng số trong cả quá trình hoạt
sụt giảm khi hoạt
động bình thƣờng và trong điều kiện
động ở tốc độ
Moment max trong phạm vi điều chỉnh tốc
thấp
độ

Moment cực đại
Xấp xỉ 300%
(150%)
Dữ liệu trong ngoặc là của động cơ đƣợc điều khiển bởi biến tần.
12


2.2. Ứng dụng của động cơ Servo
 Máy móc đòi hỏi điều khiển vị trí
Động cơ Servo có thể đạt đƣợc vị trí chính xác khi kết hợp với các
bộ điều khiển vị trí. Một vòng quay rotor có thể phân chia thành
131072 vị trí hay nhiều hơn nữa với các thế hệ mới ngày nay
Ví dụ : Các loại máy công cụ, máy làm gỗ, băng tải, máy đóng gói
v.v…
 Máy móc đòi hỏi khoảng điều chỉnh tốc độ rộng
Động cơ Servo có thể ổn tốc ở tốc độ 1/1000 tốc độ định mức với
Moment đầu ra là hằng số. Do vậy động cơ Servo đƣợc dùng trong
các ứng dụng đòi hỏi điều chỉnh tốc độ chính xác trong phạm vi
rộng, trong các dây chuyền sản xuất
Ví dụ : Máy in, dây chuyền sản xuất film, máy làm giấy, máy
nâng-hạ v.v..
 Máy móc đòi hỏi điều khiển vị trí tần số cao
Các ứng dụng đòi hỏi điều khiển vị trí đã đƣợc trình bày trong
phần trên. Tuy nhiên, động cơ Servo có thể đạt đƣợc Moment cực
đại 300%. Khi sử dụng độc lập, động cơ có thể đáp ứng đƣợc việc
tăng tốc/giảm tốc đột ngột trong 10ms từ trạng thái đứng yên
chuyển sang tốc độ định mức. Khi động cơ Servo đƣợc sử dụng,
không cần thêm bất kỳ phần tiếp xúc cơ khí nào nhƣ các loại điều
khiển vị trí khác : Thắng(hãm), động cơ DC v.v.. vì vậy chi phí
bảo dƣỡng đƣợc giảm thiểu. Ngoài ra động cơ Servo cũng không

bị ảnh hƣởng lớn bởi nhiệt độ môi trƣờng
 Điều khiển Moment
Một vài loại Servo có thể điều khiển Moment bên cạnh điềi khiển
vị trí và điều khiển tốc độ. Áp dụng cho các lạoi máy cần điều
khiển lực ép nhƣ các loại máy Cán lên – Cán xuống.
3. Phân loại
Có 2 loại động cơ Servo :
 Servo DC
 Servo AC
o Động cơ đồng bộ (Synchronuous Motor ) (SM)
o Động cơ cảm ứng (Induction Motor) (IM)
Động cơ Servo phát triển từ Servo DC với ƣu điểm dễ điều khiển. Tuy nhiên,
với sự phát triển của điện tử công suất thì điều khiển cho tốc độ nhanh và giá
rẻ hơn. Điều này dẫn đến việc chuyển qua sử dụng động cơ Servo AC vốn
không cần bảo dƣỡng. Ngày nay, loại Servo SM đƣợc sử dụng cho khoảng
công suất nhỏ từ 50W trở lên, trong khi loại Servo IM thích hợp với các ứng
dụng công suất lớn và tốc độ cao, khi mà hiệu suất tỷ lệ với kích thƣớc thì
13


loại này dùng với khoảng công suất từ 7,5KW trở lên. Những dây chuyền sản
xuất lớn sử dụng động cơ DC servo tuy nhiên hiện nay đã đƣợc thay thế bởi
loại Servo IM.
Bảng 1.2 phân loại động cơ Servo cũng nhƣ các ƣu điểm, nhƣợc điểm của
các loại động cơ này.

Loại
SM

IM

DC

Kết cấu

Bảng 1.2 Phân loại động cơ Servo
Đặc tính
Ƣu điểm
Nhƣợc điểm
 Không cần bảo trì
 Kết cấu phức tạp hơn so
với loại Servo DC
 Gần nhƣ không chịu
ảnh hƣởng của môi
 Động cơ và bộ điều khiển
trƣờng
phải đi đôi với nhau
 Moment lớn
 Nam châm Rotor có thể
bị mất từ tính
 Hãm động năng khi
nguồn điện hƣ hỏng
 Trọng lƣợng nhẹ
 Hiệu suất cao
 Không cần bảo trì
 Gần nhƣ không chịu
ảnh hƣởng của môi
trƣờng
 Moment lớn và tốc
độ cao

 Hiệu suất cao ở
khoảng công suất lớn
 Kết cấu vững chắc
 Cấu trúc Bộ điều
khiển đơn giản
 Hãm động năng khi
nguồn điện hƣ hỏng
 Động cơ Công suất
nhỏ có giá thành
không mắc
 Hiệu suất cao

14

 Kết cấu phức tạp hơn so
với loại Servo DC
 Không hãm động năng
khi nguồn điện hƣ hỏng
 Đặc tính thay đổi theo
nhiệt độ
 Động cơ và bộ điều khiển
phải đi đôi với nhau
 Các khu vực xung quanh
phần chỉnh lƣu(Rectifier)
phải đƣợc bảo trì và giám
sát
 Khó dùng ở nơi nhiều bụi
 Không dùng với Moment
lớn và tốc độ cao
 Động cơ có thể mất từ

tính


II. Bộ điều khiển (Driver) và nguyên tắc hoạt động
Bộ điều khiển (Driver hay Servo Amplifier) bao gồm 2 phần chính:
 Mạch chính ( Main circuit section) hay Mạch công suất
 Mạch điều khiển
1. Mạch chính
Chức năng cơ bản của phần Mạch chính hay mạch công suất
 Chỉnh lƣu nguồn điện xoay chiều 3 pha với Bộ chỉnh lƣu (cầu Diode, tụ
điện)
 Cung cấp dòng điện 3 pha điều khiển dạng điều rộng xung Sin( SinPWM) từ Bộ nghịch lƣu (IGBT) đến Động cơ Servo để điều khiển tốc
độ, Moment của động cơ

Hình 1.3 : Sơ đồ Bộ điều khiển
a. Bộ chỉnh lưu và Tụ lọc
Nguồn điện xoay chiều 3 pha đƣợc chỉnh lƣu thành nguồn điện DC, tụ
điện làm giảm độ nhấp nhô của nguồn DC

Hình 1.4 : Chỉnh lƣu điện áp nguồn và lọc bằng tụ
15


b. Bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lƣu lấy nguồn từ điện áp DC sau khi lọc. Bộ nghịch lƣu tạo
ra dòng điện cân bằng với tần số (tốc độ) và moment tải phù hợp với
tốc độ của động cơ và cung cấp nó cho động cơ Servo

Hình 1.5 : Sơ đồ Bộ nghịch lưu và dòng điện 3 pha được tao ra
Nhƣ thể hiện trên hình 1.6, chiều quay và tốc độ quay của động cơ

(tần số) đƣợc điều khiển phụ thuộc vào chiều dòng điện và độ rộng
xung On bằng cách đóng ngắt các transistor On hay Off
Độ lớn dòng điện đƣợc điều khiển bằng độ rộng xung On, nên phƣơng
pháp này gọi là phƣơng pháp điều rộng xung (PWM)

(a)

(b)
Hình 1.6 Điều khiển dòng với PWM
(a) khi dòng nhỏ (b) Khi dòng lớn

c. Hãm tái sinh (Regenerative Brake)
Chức năng hãm tái sinh đƣợc dùng khi tốc độ thực của động cơ lớn
hơn tốc độ yêu cầu hay trong quá trình giảm tốc. Lực hãm tạo ra bởi
việc tiêu thụ năng lƣợng quay của động cơ vào các điện trở tích hợp
trong Bộ điều khiển.
Trạng thái hoạt động này đƣợc gọi là quá trình tái sinh. Thông thƣờng
Bộ điều khiển có 1 mạch tái sinh, mạch tái sinh có chức năng nhƣ 1
tải cho động cơ. Một mạch hãm tái sinh lớn hơn bên ngoài Bộ điều
khiển đƣợc dùng khi cần tiêu thụ năng lƣợng lớn (đối với các động cơ
Công suất lớn)
16


 Các phƣơng pháp hãm tái sinh
(1) Dùng Tụ lọc
Khi động cơ công suất nhỏ và năng lƣợng hãm tái sinh nhỏ,
năng lƣợng này có thể nạp vào Tụ lọc ở mạch chỉnh lƣu,
phƣơng pháp này áp dụng cho khoảng công suất từ 0,4kW trở
xuống

(2) Dùng điện trở
Đối với các động cơ có công suất trung bình, dòng điện chạy
qua các điện trở và tiêu thụ dƣới dạng nhiệt, năng lƣợng càng
lớn thì kích thƣớc của điện trở cũng lớn theo, điều này gây ra
các ảnh hƣởng về nhiệt đối với môi trƣờng xung quanh
(3) Hãm tái sinh trả năng lƣợng về lƣới
Đối với những động cơ có công suất lớn từ 11kW trở lên, để
khắc phục các vấn đề về nhiệt do phƣơng pháp dùng điện trở
gây ra, ngƣời ta sử dụng năng lƣợng lớn này để trả về lƣới điện
d. Hãm động năng
Khi động cơ đang hoạt động mà ta tắt nguồn điện hoặc trong trạng
thái xuất hiện lỗi, động cơ sẽ từ từ dừng lại. Quá trình này mất thời
gian và có thể gây ra các ảnh hƣởng xấu nhƣ các va chạm tại đầu cuối.
Hãm động năng dùng ngắn mạch các đầu dây của động cơ servo với
một giá trị điện trở thích hợp để tiêu thụ năng lƣợng quay của rotor.
Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng hãm cơ khí
2. Mạch điều khiển
Sử dụng Vi điều khiển, các đại lƣợng đƣợc điều khiển ( vị trí, tốc độ, dòng
điện) nhanh chóng đƣợc truyền đến động cơ sau khi so sánh giữa các giá trị
yêu cầu và gí trị hiện thời.
2.1. Điều khiển vị trí
Tốc độ và chiều quay của động cơ đƣợc điều khiển và vị trí chính xác
đƣợc thực thi với Số Xung yêu cầu cấp vào

Hình 1.7 Điều khiển vị trí (position control)
17


Tại vùng điều khiển Vị trí, sau khi số xung yêu cầu đƣợc nhập vào thì
động cơ khởi động. Vì thế, số xung tƣơng đƣơng với độ trễ này đƣợc tính

toán và lƣu tại Bộ đếm độ lệch, những xung này gọi là Xung chúc (droop
pulse). Các xung này đƣợc chuyển đến vùng điều khiển tốc độ nhƣ 1
lệnh yêu cầu tốc độ

Hình 1.8 Droop Pulse
2.2. Điều khiển tốc độ
Ngõ ra bộ đếm độ lệch của vùng điều khiển vị trí tỷ lệ với tốc độ yêu cầu
và đƣợc dùng nhƣ lệnh yêu cầu tốc độ. Vùng điều khiển tốc độ phát ra độ
lệch giữa tốc độ yêu cầu và tốc độ của Rotor là một lệnh điều khiển
dòng.
Khi hoạt động ở chế độ điều khiển tốc độ, 1 giá trị điện áp chẳng hạn
nhƣ (0-10V) đƣợc nhập vào từ nguồn ngoài nhƣ 1 tín hiệu yêu cầu tốc
độ
2.3. Điều khiển dòng và mạch phát dòng 3 pha
Vùng điều khiển dòng điều khiển bộ nghịch lƣu của mạch chính và dòng
của động cơ để động cơ hoạt động theo các lệng yêu cầu vị trí hoặc yêu
cầu về tốc độ.

18


Để thực hiện điều này, dòng điện xoay chiều 3 pha đƣợc xác định theo từ
trƣờng của động cơ (Motor field) (xác định nhờ vị trí của Nam châm
rotor) và dòng điện chạy qua bộ đo so lệch tốc độ nhƣ đã xét ở trên.

Hình 1.9 : Nguyên lý điều khiển dòng điện
Khi sử dụng động cơ đồng bộ, dòng điện pha của động cơ phải phù hợp
với vị trí mỗi pha trong từ trƣờng ( vị trí cực từ)
Vì vậy, thiết bị nhận biết (Encoder) có 1 tín hiệu để nhận biết vị trí của
cực từ và chuyển về bộ điều khiển. Bộ điều khiển tạo ra dòng điện xoay

chiều 3 pha tại mạch tạo dòng dựa trên tín hiệu nhận biết vị trí ở trên.
Khu vực điều khiển dòng nhân dòng điện 3 pha này với độ lệch tốc độ
(speed deviation) để tạo ra yêu cầu dòng điện 3 pha và điều khiển mạch
PWM
Chú ý rằng, động cơ cảm ứng (loại IM) không có từ trƣờng độc lập nên
không cần xác định vị trí cực từ
Với phƣơng pháp PWM, nhiều xung đóng cắt tạo ra trong 1 chu kỳ, và
độ rộng xung đóng cắt đƣợc thay đổi để thay đổi điện áp đầu ra. Số xung
đóng cắt đƣợc tạo ra trong 1s gọi là tần số sóng mang.

Hình 1.10 Nguyên lý điều khiển PWM
19


III. Các đặc tính của động cơ Servo và nguyên tắc hoạt động
1. Đặc tính của động cơ AC Servo
 Moment đầu ra trên trục động cơ tỷ lệ với dòng điện chạy qua động cơ
 Bộ điều khiển nhận tín hiệu về tốc độ của rotor và điều khiển dòng điện
theo độ lệch tốc độ. Vì thế động cơ Servo có thể hoạt động với Moment
đầu ra là hằng số từ tốc độ thấp đến tốc độ cao
 Đặc tính cơ của động cơ Servo dùng kèm với Bộ điều khiển đƣợc thể
hiện trên hình 1.11

Hình 1.11 Đặc tính cơ của động cơ Servo (dòng Melservo-J2S)
2. Nguyên tắc hoạt động của động cơ Servo loại SM
Động cơ servo có cùng nguyên tắc hoạt động từ công suất thấp đến công
suất cao. Khi dòng điện chảy qua thanh dẫn trong từ trƣờng, Lực quay hay
Moment đƣợc tạo ra theo quy tắc bàn tay trái. Loại SM Servo có Rotor là
một nam châm vĩnh cửu và cuộn dây trên Stator. Dòng điện tạo ra chuyển
động của Rotor (Tốc độ quay, chiều quay, moment quay) chạy qua cuộn

dây đặt trên Stator.

Hình 1.12 Mặt cắt ngang của động cơ Servo loại SM
20


Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo loại SM nhƣ hình 1.13

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo loại SM
Các transitor công suất đóng hay ngắt dòng điện chạy qua cuộn dây đặt
trên Stator nằm trong từ trƣờng do Rotor nam châm tạo ra. Việc đóng ngắt
với tần số vài khz và dòng điện tạo ra gần tuyệt đối với dạng Sin
3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo loại IM
Nguyên lý tạo ra Moment đối với động cơ IM tƣơng tự nhƣ đối với động
cơ SM. Tuy nhiên, khác với động cơ loại Sm, động cơ IM không có rotor
nam châm nên Moment đƣợc tạo ra do tác động của từ trƣờng do dòng
điện cảm ứng trong rotor gây ra và dòng điện trong cuộn dây Stator
Nói một cách khác, dòng điện trong dây quấn Stator là tổng của dòng điện
tạo ra Moment và dòng điện tạo ra từ trƣờng
2 dòng điện : Dòng tạo Moment và dòng tạo từ trƣờng đƣợc điều khiển
độc lập và gọi là điều khiển Vector. Điều khiển Vector làm cho động cơ
Servo loại IM có cùng đƣờng đặc tính so với động cơ loại SM

Hình 1.14 Mặt cắt ngang của động cơ Servo loại IM
21


IV. Chức năng của Thiết bị nhận dạng(Encoder) và nguyên tắc hoạt động
Nhƣ giải thích ở các phần trƣớc, Bộ điều khiển sẽ điều khiển dòng điện dựa
trên sự sai lệch giữa các yếu tố Moment, tốc độ hiện thời của động cơ và các

yết tố yêu cầu. Do đó việc hồi tiếp các yếu tố Moment, tốc độ của động cơ về
Bộ điều khiển là liên tục. Thiết bị nhận dạng (Encoder) là 1 phần không thể
thiếu đƣợc của động cơ Servo
1. Cấu trúc Encoder

Hình 1.15 Cấu trúc của Encoder
2. Chức năng của Encoder và các lọai tín hiệu
Chức năng của Encoder trong động cơ Servo bao gồm
a. Nhận biết Vị trí Rotor (bao gồm chiều quay)
b. Nhận biết Tốc độ Rotor (bao gồm chiều quay)
c. Nhận biết vị trí Cực từ của Rotor (không dùng cho loại IM và động cơ
servo DC)
Trong các chức năng kể trên thì chức năng a) và chức năng b) encoder tạo ra
2 đƣờng xung trong trạng thái tăng dần khi Rotor quay

Dùng nhận biết vị trí và tốc độ Rotor
Nhiều ngàn xung/vòng

Dùng khi cần trở về
điểm khởi đầu (Zero point Return)
1 xung/vòng

Nhận biết Vị trí cực từ
2 xung/vòng
(không dùng cho loại IM và DC

Hình 1.16 Tín hiệu Encoder
22

Ứng với Encoder 13 bít có độ phân giải là 8192 xung/vòng
Ứng với Encoder 14 bít có độ phân giải là 16384 xung/vòng
Ứng với Encoder 17 bít có độ phân giải là 131072 xung/vòng

V. Các phƣơng pháp điều khiển vị trí và điều khiển dừng chính xác
1. Các loại điều khiển vị trí
Các cảm biến dùng định vị trí đƣợc cài đặt để đối tƣợng điều khiển có thể
dừng ở các vị trí ngẫu nhiên. Các phƣơng pháp điều khiển vị trí chủ yếu
phân làm 2 loại là:
 Phƣơng pháp điều khiển tốc độ : Động cơ không phát tín hiệu đầu
ra nào, các công tắc hành trình đƣợc gắn trên máy dùng để định vị
 Phƣơng pháp điều khiển vị trí : Máy móc không cần 1 thiết bị định
vị nào, tuy nhiên động cơ chạy chính xác nhờ Encoder
2. Phƣơng pháp điều khiển tốc độ
a. Phương pháp dùng công tắc hành trình (Limit switch method)

Hình 1.17 Khoảng dịch chuyển của động cơ ứng với công tắc hành trình
 Để tự động dừng 1 đối tƣợng đang dịch chuyển cùng với động cơ,
thông thƣờng vị trí đƣợc phát hiện bởi công tắc hành trình, v.v.. và
động cơ dừng khi có tín hiệu này (thƣờng dùng Thắng hãm ( brake)
để dừng động cơ). Hình 1.17 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và
thời gian đối tƣợng dịch chuyển. Trục ngang là trục thời gian, trục
dọc là trục tốc độ.
 Diện tích ABCD chính là khoảng dịch chuyển của động cơ
 Diện tích CDE tƣơng ứng với khoảng dịch chuyển của động cơ sau
khi công tắc hành trình tác động. Động cơ có dừng chính xác nhƣ thế
nào phụ thuộc vào phần diện tích này, diện tích này càng nhỏ thì độ
dừng chính xác càng lớn.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến diện tích của vùng CDE đƣợc thể hiện trên
hình 1.18.

 Thời gian dừng (ED) ứng với moment tải khác nhau (Tải nặng hay
tải nhẹ)
 Tốc độ của động cơ khi dừng
23


 Vị trí tác động của Sensor

Hình 1.18 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc dừng chính xác
Các yếu tố ảnh hƣởng kể trên phải đƣợc giảm đến mức có thể. Trong
các phƣơng án thì việc giảm tốc độ động cơ là phƣơng pháp hiệu quả
nhất, sẽ có 1 công tắc hành trình phát hiện trƣớc, việc giảm tốc độ đƣợc
thực thi và khi có tín hiệu dừng hẳn thì động cơ sẽ dừng ngay.
b. Phương pháp đếm xung
Phƣơng pháp đếm xung là phƣơng pháp cải thiện phƣơng pháp dùng
công tắc hành trình. Vị trí của đối tƣợng đƣợc xác định nhờ vào việc
đếm xung, điểm dừng có thể đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên. Việc dừng
chính xác có thể không khác nhiều so với phƣơng pháp dùng công tắc
hành trình nhƣng vị trí của đối tƣợng luôn đƣợc giám sát, vì vậy nếu
vƣợt quá vị trí đã định trƣớc thì cũng dễ dàng điều chỉnh.
c. Phương pháp dùng xung lệnh (Pulse command Method)
Phƣơng pháp điều khiển vị trí dùng động cơ Servo cải thiện những
khuyết điểm của các phƣơng pháp nêu trên. Vị trí của đối tƣợng luôn
đƣợc giám sát, thêm vào đó tốc độ đƣợc giảm trực tiếp từ tốc độ cao
xuống tốc độ thấp khi động cơ đạt đến vị trí mong muốn với độ chính
xác nhƣ yêu cầu.
Phƣơng pháp này kết hợp cả điều khiển vị trí và điều khiển tốc độ
Bảng 1.19 sẽ so sánh các phƣơng pháp điều khiển trên

24