Đồ án điều khiển vị trí sử dụng động cơ Servo và PLC S7-200

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

LỜI CẢM ƠN
Để đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử
dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” đạt được một số mục tiêu đặt
ra, hoàn thành đúng thời gian, em xin chân thành cảm ơn:
Thầy giáo Nguyễn Đăng Hải giảng viên bộ môn đo lường và điều khiển đã trực
tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, giúp đỡ về chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi, hỗ
trợ về tài liệu và thiết bị kĩ thuật trong thời gian em thực hiện đồ án này.
Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo điện cho em được hoàn thiện
đồ án trong giờ dạy, góp phần cho em hoàn thành đồ án đúng tiến độ.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp Điện 4-K8đã giúp đỡ,
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 thầy cô và các bạn.
Hà Nội, tháng 4 năm 2017
Sinh viên thực hiện

1

Đồ án tốt nghiệp

1


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

2

Đồ án tốt nghiệp

2


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

3

Đồ án tốt nghiệp

3

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

MỤC LỤC

4

Đồ án tốt nghiệp

4


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

DANH MỤC HÌNH

5

Đồ án tốt nghiệp

5


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

DANH MỤC BẢNG

6

Đồ án tốt nghiệp

6


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

TRÍCH YẾU ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên:

Mã sinh viên

Nguyễn Văn Hưng

0841040249

Nguyễn Văn Hiếu

0841040248

Nguyễn Thị Ngọc Hoa

0841040253

Trần Thị Luyến

0841040257

Bùi Quang Đạt

0841040287

Lớp: Điện 4

Khóa: 8

Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điện-điện tử
Giảng viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Đăng Hải

Bộ môn: ĐLĐK

☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
1.Tên đề tài
Đề tài:Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC Siemens
cho bài toán điều khiển vị trí
2. Lí dochọn đề tài
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả
các lĩnh vực thì các sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu về chất lượng sản phẩm,
mức độ tự động hóa sản xuất và đặc biệt là độ chính xác gia công về hình dáng hình
học. Sự phát triển của nền công nghiệp 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 lí 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 HMI
của các phần mềm điều khiển chuyên dụng như Win CC hay Win CC-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 trong hệ thống. Cùng với
đó nhận thấy được sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống điều khiển động cơ Servo
trong quá trình sản xuất cũng như nhu cầu của xã hội về lĩnh vực này, nên em quyết

7
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

định thực hiện đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử
dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí”. Để hiểu rõ hơn về bản chất
điều khiển vị trí, tốc độ của động cơ Servo cũng như hiểu được quy trình điều khiển
một hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu.
3.Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu đặt ra với đề tài:“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát
sử dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” 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 thông qua Win CC. Từ mô hình thực tế này tạo
giao diện, xây dựng chương trình,các thuật toán điều khiển và lập trình cho bộ động
cơ.
4.Giới hạn nghiên cứu
-Vì lí 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 vị trí và tốc độ trên mô hình nhỏ gồm: PLC Siemens S7-200 của

SIEMENS, motor Servo của Teco và hệ thống khí nén.
-Xây dựng chương trình bằng phần mềm Step 7 Microwin.
-Giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và Win CC bằng phần mềm PC Access.
-Tạo giao diện trên Win CC để điều khiển và giám sát.
5.Nhiệm vụ nghiên cứu
Để hoàn thành được mục tiêu để ra, những nhiệm vụ được đặt ra như sau:
-Đọc, dịch tham khảo tài liệu tìm hiểu những lĩnh vực có liên quan đến điều khiển vị
trí, tốc độ của động cơ AC-Servo.
-Tìm hiểu về PLC S7-200, cách đấu nối phần cứng, cách thức phát xung, cách lập
trình, cách thức kết nối với giao diện Win CC, cách thức sử dụng và tạo giao diện
cho một chương trình ứng dụng.
-Tìm hiểu cách kết nối giữa PLC S7-200 với bộ động cơ AC-Servo, cách thức điều
khiển vị trí bằng động cơ AC-Servo thông qua Win CC và PLC S7-200.
-Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ.
6.Đối tượng nghiên cứu

8
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

-PLC S7-200 của Siemens, motor Servo của Teco
-Chương trình điều khiển STEP 7 MICROWIN
-Thiết lập giao tiếp giữa PLC S7-200 với Win CC bằng phần mềm PC Access
-Tạo giao diện điều khiển giám sát trên Win CC
-Hệ thống cảm biến điện cảm
-Hệ thống khí nén

7.Phương pháp nghiên cứu
-Tham khảo, tra cứu thông tin từ các lài liệu khoa học
-Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các băng chuyền, gia công cơ khí
-Sử dụng các thiết bị có sẵn,làm mô hình
-Lập trình và mô phỏng trên máy tính
-Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thực hành của nhà trường
8.Nội dung của đề tài
-Chương I: Tổng quan về hệ thống điều khiển vị trí
-Chương II: Tổng quan về PLC S7-200
-Chương III: Tìm hiểu về các thiết bị trong mô hình
-Chương IV: Thiết kế và chạy mô hình

Hà Nội,ngày

tháng 4 năm 2017

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn.

Nguyễn Đăng Hải

9
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

T

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
rong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước vào
thời kì công nghiệp hóa-hiện đại hóa 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 kĩ sư tương lai.Với sự phát triển nhanh
chóng của cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật nói chungvà trong lĩnh vực điện-điện
tử-tự động hóa-tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày.
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 hóa.Trong những hệ thống điều khiển vị
trí, tốc độ và moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến các thiết bị điện đáp
ứng.Đây được xem như một bài toán đặt ra cần giải quyết.Để làm được nhiệm vụ
này các nhà khoa học đã nghiên cứu và sản xuất ra động cơ Servo.Cùng với sự kết
hợp của các thiết bị khác như PLC, khí nén....thì ngày nay động cơ Servo được sử
dụng rông rãi và hiệu quả trong hệ thống vận hành của nhiều nhà máy. Để có thể
hiểu rõ hơn về động cơ Servo và các thiết bị đi kèm em quyết định lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC Siemens
cho bài toán điều khiển vị trí”.
Vì thời gian nghiên cứu và tìm hiểu hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi được
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!

10
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
1.1 Cơ sở lí luận
1.1.1Lịch 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
chạy bằng xăng dầu cấu tạo phức tạp nặng nề, cồng kềnh mà hiệu suất lại không
cao, 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 1 chiều , động cơ xoay chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng
bộ, động cơ 1 pha, động cơ 3 pha và trong tất cả các lĩnh vực.
Ngày nay về tương lai động cơ được phát triển 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....
1.1.2Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng
Hiện nay, tất cả các lĩnh vực đều 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 dùng
vào nhiều mục đích sử dụng khác nhau .
Các sản phẩm làm ra từ các nhà máy trong đó có sử dụng động cơ Servo thường cho
độ chính xác cao và mẫu mã đẹp.Do đó động cơ Servo được sử dụng đặc biệt nhiều
trong ngành tự động hóa nói chungvà ngành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất các máy
gia công chính xác nói riêng.
1.2Tổng quan về hệ thống điều khiển khiển vị trí
Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với hệ thống điều khiển. Công nghệ ngày
càng hiện đại đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải đáp ứng được yêu cầu khắt khe
để đảm bảo quá trình sản xuất.
Sự phát triển các hệ thống được tóm tắt như sau:
+ Điều khiển vòng hở (open loop)
+ Điều khiển nửa kín (semi-closed loop)

11
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

+ Điều khiển vòng kín (full –closed loop)
Sau đây giới thiệu sơ lượt về các nguyên tắc điều khiển:
Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thống 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 thống số X và thực tết thì thống 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 khiên 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 bằng mắt” được loại bỏ một phần. Tuy nhiên sai số của mô
hính khá cao do các sai số về cơ và điện. Mô hình này được áp dụng chủ yếu là lý
do về mặt giá thành hoặc đôi khi thông số X không thể đo được. độ chính xác của
nó dõ nhiên là cao hơn open loop.
Và cái cuối cùng là closed loop, dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng X đươc
trực tiếp feedback về hệ thống để điều khiển để xử lý.
1.2.1Điều khiển vòng hở
Bộ điều khiển vị trí chỉ thị lệnh cho động cơ quay, nhưng chỉ quay mà thôi, quay tới
quan 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 kệnh nào đó bên
ngoài nó.

Hình 1.1: Hệ điều khiển vòng hở
1.2.2 Điều khiển nửa kín
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

12
Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

đồ người thiết kế. Tuy nhiên cái mà chúng ta cần điều khiển chính là vị trí của bàn
chạy chứ không phải việc động cơ quay bao nhiêu vòng thì dừng.. đối tượng là cái
bàn.

Hình 1.2: Hệ điều khiển nửa kín
1.2.3Điều khiển vòng kín
Hình này rõ ràng là khác hẳn hai hình trên. Vòng hồi tiếp lúc này không phải hổi
tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông
qua một thước 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 số 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 nên
nó được gọi và vòng kín.

Hình 1.3: Hệ điều khiển vòng kín

13
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

1.3Động cơ Servo

1.3.1Hệ thống Servo
Servo là từ xuất phát từ tiếng Hy Lạp “servus” (hay servant),có nghĩa là “nô lệ”,hệ
thống servo là hệ thống bao gồm động cơ servo và các thiết bị đi kèm nhằm phục vụ
một cách chính xác các mệnh lệnh của “chủ nhân”.
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.

Hình 1.4:Ví dụ về hệ thống Servo
1.3.2 Về động cơ Servo
1.3.2.1 Cấu tạo của một động cơ Servo
Động cơ servo về cấu tạo,nguyên lý hoạt động,cấu tạo phần điện-từ thì giống với
động cơ bình thường (nghĩa là cũng có 2 phần:phần cảm và phần ứng,khe hở từ
thông và cách đấu dây…) nhưng có sự khác biệt về cấu trúc khi động cơ servo có
hình dáng dài,có đường kính trục và rotor nhỏ hơn so với động cơ thường có cùng
công suất và momen.
Sở dĩ có sự khác biệt trong chế tạo như trên là bởi động cơ servo có yêu cầu về độ
chính xác rất cao,cho nên khi chạy người ta phải đảm bảo sao cho momen quán tính
khi dừng là nhỏ nhất.Do vậy trục động cơ được kéo dài và làm nhỏ đường kính lại

14
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

để sao cho công suất và monen khởi động không giảm nhưng giảm được momen

quán tính khi dừng.
Điểm nổi bật khác của động cơ servo so với động cơ thường là có tích hợp một
cơ cấu feedback sẵn trong động cơ.động cơ được điều khiển bằng một chu trình
kín,từ tín hiệu hồi tiếp về vị trí/tốc độ hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển động
cơ.Vì thế động cơ sẽ có thêm bộ phận cảm biến để thông báo vị trí và tốc độ của
động cơ, cảm biến này thường là encoder hoặc máy phát tốc.

Hình 1.5: Cấu tạo của một động cơ Servo
Trong đó:
1. Động cơ

6. Vôn kế

2. Mạch điện từ

7. Trục ra

3. Dây dương (màu đỏ)

8. Đầu nối gắn trên trục động cơ

4. Dây tín hiệu (vàng hoặc trắng)

9. Vỏ động cơ

5. Dây âm hoặc dây mát (đen)

10. Chip điều khiển

1.3.2.2 Phân loại động cơ Servo

Hiện nay, có 3 loại động cơ thường hay sử dụng đó là: Động cơ AC servo dựa trên
nền tảng động cơ ba pha lồng sóc,động cơ DC servo dựa trên nền tảng động cơ điện

15
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

một chiều và động cơ AC servo không chổi than dựa trên động cơ đồng bộ và động
cơ không đồng bộ.
Không phải bất kì động cơ nào cũng được dùng làm động cơ servo,động cơ servo là
động cơ hoạt động dựa trên các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ.Chính vì thế nó phải
được thiết kế sao cho các đáp ứng phù hợp với nhu cầu điều khiển, tùy vào từng
mục đích cụ thể mà người ta sẽ có những cải tiến riêng.Cụ thể với bài toán này sẽ đi
tìm hiểu kĩ về động cơ AC servo.

Hình 1.6: Động cơ Servo và bộ điều khiển
1.3.2.3 Đặc tính của động cơ Servo
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu đầu ra
của động cơ được đưa về một mạch điều khiển.Khi động cơ quay,tốc độ và vị trí sẽ
được hồi tiếp về mạch điều khiển này.Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển động
quay của động cơ,cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu đầu ra chưa đạt được vị trí
mong muốn,mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm
đó.
Đặc tính của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều
khiển động cơ.

16
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.7:Ví dụ về hệ thống điều khiển vị trí,tốc độ động cơ Servo
1.3.2.4Tăng tốc độ đáp ứng
Các động cơ bình thường khi muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần
một thời gian để đáp ứng gọi là thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều
khiển,đòi hỏi tốc độ phải thay đổi trong một khoảng thời gian ngắn hoặc vị trí cần
nhanh chóng đạt được chuẩn xác một cách nhanh nhất.Ví dụ khi bạn muốn động cơ
quay từ vị trí X đến vị trí X’,động cơ cần nhanh chóng tăng tốc để quay đến
X’,nhưng khi sắp đến X’ đòi hỏi động cơ cần quay chậm tức thì để đạt được vị trí
chính xác và loại trừ độ vọt lố quá khỏi vị trí X’.Các động cơ bình thường không thể
đáp ứng được đặc điểm này.để đáp ứng được yêu cầu trên thì động cơ cần phải được
thiết kế sao cho rút ngắn thời gian đáp ứng tốc độ của động cơ.

Hình 1.8: Đường đặc tính
Muốn được như vậy ta phải giảm momen quán tính và tăng dòng giới hạn cho
động cơ. Để giảm momen quán tính thì động cơ servo đã được giảm kích thước
rotor và các cơ cấu sắt từ không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn cho động cơ,người
ta đã chế tạo lõi sắt từ bằng ferrit và hình dạng các lõi sắt này được thiết kế với hình
dạng phù hợp.Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu nó được thiết kế sao cho ngăn
được sự khử từ(hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm ( sử
dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet).

17
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

1.3.2.5Tăng khả năng đáp ứng
Đáp ứng ở đây cần được hiểu là sự tăng hay giảm tốc cần phải “mềm”,tức là gia tốc
cần phải là một hằng số hay gần như vậy.

Hình 1.9: Đường đặc tính
Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng động
cơ phải “mềm”,quá trình quá độ vận tốc phải là một đường tuyến tính,để làm được
điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng
chống lại dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.các động cơ dạng này thường được
thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ
trong mạch từ khe hở không khí.
1.3.2.6 Mở rộng vùng điều khiển
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn
tốc độ định mức rất nhiều.Động cơ thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó nhỏ hơn
hoặc bằng với điện áp định mức.

18
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.10: Đường đặc tính
1.3.2.7Khả năng ổn định tốc độ
Động cơ loại này được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định.

Hình 1.11: Đường đặc tính
Không có từ trường hoàn hảo cũng như không có một mạch điện hoàn hảo trong
thực tế. Vì thế nếu nói động cơ quay 1500rpm thì thực tế tốc độ của động cơ chỉ dao
động xung quanh con số này.động cơ servo thường cơ độ ổn định khá cao so với
động cơ thường.các động cơ loại này được ứng dụng trong những nơi có yêu cầu
chính xác về mặt tốc độ như cánh tay robot, nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng
dòng điện mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ.Các rãnh của rotor
được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí một
cách đặt biệt để đáp ứng yêu cầu này.
1.3.2.8Tăng khả năng chịu đựng của động cơ

19
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Một số động cơ được thiết kế sao cho có khả năng chịu được tín hiệu điều khiển ở
tần số rất cao và cũng có khả năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ
điều khiển(có khả năng tạo ra các xung hài bậc cao).Những động cơ như thế này
thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại những hao
mòn do ma sát trên ổ bi cũng như trên chổi than.

1.3.2.9Nguyên lí hoạt động của Encoder
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay.Đĩa quay có thể là
trục động cơ,bánh xe hoạc bất kì thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc
quay.Encoder được chia làm 2 loại,absolute encoder (tuyệt đối) và incremental
encoder (tương đối).
Encoder tuyệt đối chỉ rõ ràng vị trí của encoder,chúng ta không cần xử lý gì thêm
cũng biết chính xác vị trí của encoder.Encoder tương đối chỉ có 1,2 hoặc tối đa là 3
lỗ.Cứ mỗi lần đi qua một lỗ,chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do vậy
nó có tên là incremental encoder (encoder tăng lên một đơn vị) và nó không thể cho
ta biết chính xác vị trí.
Việc thiết kế encorder tuyệt đối cần quá nhiều vòng lỗ và giới hạn về kích thước của
encoder bởi việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện
được.Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất
lớn đến kích thước giới hạn này nên đa số trong các motor,người ta thường sử dụng
encoder loại incremental,và động cơ servo cũng không ngoại lệ.
Absolute encoder sẽ theo dõi trục quay của động cơ ngay cả khi hệ thống xảy ra mất
điện và cả những chuyển động của động cơ trong thời gian đó,Incremental thì không
có khả năng trên.
Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay quay xung quanh một trục.Trên
đĩa có các lỗ,rãnh.Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa,khi đĩa quay chỗ
không có lỗ(rãnh) đèn chiếu sẽ không chiếu qua được, và ngược lại chỗ có lỗ rãnh
thì sẽ có đèn led chiếu xuyên qua. Trong khi đó,tại mặt bên kia của đĩa người ta đặt
một con mắt thu.Với tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua.Người ta sẽ nghi
nhận đèn led có chiếu qua hay là không.Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng
số lần ánh sáng bị cắt.

20
Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông
này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào
tốc độ quay của tấm tròn đó. Đối với encoder mình đang dùng thì nó có 2 tín hiệu ra
lệch pha nhau 90. Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ.

Hình 1.12: Hình ảnh về encoder cơ bản
Encoder thường có ba kênh ngõ ra: bao gồm kênh A,kênh B và kênh I.Điểm khác
nhau là trong một vòng quay của motor sẽ có N “xung” xuất hiện trên trên kênh A.N
là số rãnh trên đĩa và chính là độ phân giải của encoder.Mỗi encoder có độ phân giải
khác nhau,có encoder có số lưỡng rãnh lên đến hàng nghìnrãnh được chia.Để điều
khiển động cơ bạn phải biết độ phân giải (resolution) của encoder.Mỗi loại encoder
có độ phân giải khác nhau, độ phân giải của encoder ảnh hưởng đến độ chính xác
điều khiển và phương pháp điều khiển. Kênh B được đặt trên cùng đường tròn với
kênh A nhưng lệch một chút (M=0.5 rãnh).tín hiệu từ kênh B có cùng tần số với
kênh A, tuy nhiên lệch pha so với kênh A 90 độ.Bằng cách phối hợp giữa hai kênh A
và B ta có thể biết được chiều quay của động cơ.

21
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

.

Hình 1.13: Hai kênh A và B lệch nhau trong Encoder
1.4Động cơ Servo dùng trong mô hình
1.4.1Động cơ AC-Servo
1.4.1.1 Sơ đồ cấu trúc của AC Servo
AC-Servo được chia làm 2 loại: Động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng.Loại động
cơ đồng bộ được sử dụng nhiều hơn.Đối với loại động cơ đồng bộ, tốc độ của động
cơ được điều khiển bởi sự thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều.Động cơ loại
đồng bộ có moment giữ mạnh khi động cơ dừng và hơn nữa loại này có thể sử dụng
khi đòi hỏi vị trí dừng chính xác,loại này thường sử dụng cho Servo điều khiển vị
trí.
Động cơ AC Servo có 2 bộ phận chính là phần encoder và phần motor
-Phần Encoder: Bao gồm đĩa quay, led phát và encode.
-Phần Motor: Bao gồm led thu, cuộn cảm, vỏ động cơ, vỏ mặt trước ,..

22
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.14: cấu trúc của một Servo AC đồng bộ
1.4.1.2 Thông số động cơ
Thông số của động cơ Servo được viết tắt bởi các chữ và số được giải thích như trong
hình trên, từ mã của động cơ ta suy ra được các thông số của động cơ, động cơ nhóm
đồ án sử dụng là động cơ có mã:JSMA-PSC04ABK
-JSM: Loại động cơ Servo AC
-A: Loạt sản phẩm kí hiệu A
-P: IP6

-S : Tốc độ động cơ 3000rpm
-04: Công suất của động cơ 400W
-A: Điện áp đầu vào xoay chiều 220V
-B: Độ phân giải của encoderlà 2500
-□:Động cơ servo không có tích hợp tính năng hãm khi động cơ dừng

Hình 1.15: Thông số động cơ

23
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

1.4.1.3 Nguyên lí hoạt động của động cơ
Được điều khiển từ bộ driver của SERVOPACK, tín hiệu hồi tiếp của động cơ nhờ
encoder đưa về driver.Driver xử lí tín hiệu hồi tiếp rồi sau đó đưa ra tín hiệu điều
khiển động cơ.
1.4.2Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK

Hình 1.16:Bộ điều khiển Servo Pack
1.4.2.1 Thông số bộ điều khiển Driver Servo Pack

24
Đồ án tốt nghiệp


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Hình 1.17: Thông số bộ điều khiển.

Trong đó: Nhãn động cơ JSDA-15A
-JSD: Loại driver cho servo xoay chiều
-A: Serie A
-15: Công suất driver là 400W
-A: Điện áp đầu vào xoay chiều 220V
1.4.2.2 Sơđồ chân của driver SERVOPACK

25
Đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp