Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.42 MB, 70 trang )
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
M ỤC L ỤC
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................5
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................................7
PHẦN I.......................................................................................................................................8
ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................................8
I.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.....................................................................................................8
II.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU..............................................................................................8
III.
GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU...............................................................................................9
IV.
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU..............................................................................................9
V.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU...........................................................................................9
VI. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................................................................10
VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI...............................................................................................10
CHƯƠNG1: CƠ SỞ LÝ LUẬN...............................................................................................10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO........................................10
CHƯƠNG 3:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI............................................................................10
CHƯƠNG 4:ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ...................................................................................10
PHẦN II....................................................................................................................................11
CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN.............................................................................................12
2.1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP:...................13
2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):.....................................................................................13
2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):...........................................................................14
2.1.3 Điều khiển vòng kín (full-closed loop):...........................................................................14
2.2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐỘNG CƠ SERVO:...............................................15
2.2.1 Xu hướng trong điều khiển chuyển động dùng servo:.....................................................15
2.2.2 Hệ thống servo:................................................................................................................16
2.2.2.1. Hệ thống servo là gì?...................................................................................................16
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
1
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
2.2.2.2 Cơ cấu định vị:..............................................................................................................17
2.2.2.3 Cơ cấu chuyển động định hướng:.................................................................................17
2.2.2.4 Backlash và hiệu chỉnh:................................................................................................18
2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo:........................................................................................20
2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO:.....................................................21
2.3.1. Cấu tạo:...........................................................................................................................21
2.3.2 Đặc tính của động cơ servo:.............................................................................................22
2.3.2.1
Tăng tốc độ đáp ứng:..........................................................................................22
2.3.2.2
Tăng khả năng đáp ứng:......................................................................................23
2.3.2.3
Mở rộng vùng điều khiển (control range):..........................................................23
2.3.2.4
Khả năng ổn định tốc độ:........................................................................................24
2.3.2.5
Tăng khả năng chịu đựng của động cơ:..................................................................24
2.3.1 Nguyên lý hoạt động của encoder:...................................................................................25
2.3
TÌM HIỂU VỀ DÒNG SẢN PHẨM SIGMA AC-SERVO CỦA YASKAWA (SGD*-
***s):
27
2.4.1 Động cơ Ac-Servo (SGM-******):.................................................................................27
2.4.1.1
Sơ đồ cấu trúc động cơ Ac-Servo (SGM-******):................................................27
2.4.1.2
Thông số động cơ:..................................................................................................28
2.4.1.3
Nguyên tắc hoạt động của động cơ:.......................................................................28
2.4.2 Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK (SGD*-****):...................................28
2.4.2.1
Thông số bộ điều khiển driver SERVOPACK (SGD*-****):...............................29
2.4.2.2
Sơ đồ chân của driver SERVOPACK(SGD-02AS):...............................................35
2.4.2.3
Nguyên lý điều khiển của driver trong Mod điều khiển tốc độ và moment:..........37
2.4.3 Màn hình điều khiển Digital Operator (JUSP-OP02A,JUSP-OP03A):...........................41
2.4.3.1
Thông số của màng hình điều khiển Digital Operator (JUSP-OP02A,JUSP-
OP03A):
42
2.4.3.2
Chức năng và hướng dẫn sử dụng Digital Oprater (JUSP-OP02A):..................42
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
2
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
2.4.3.3
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
Cài đặt thông số cho mode tốc độ và moment với màn hình điền khiển Digital
Operator (JUSP-OP02A,JUSP-OP03A):..................................................................................50
2.4.4 Kết nối động cơ Ac-Servo (SGM) và màn hình điền khiển Digital Operator (JUSPOP02A) với driver SERVOPACK (SGD).................................................................................54
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC.........................................................57
3.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200:........................................................................................57
3.1.1 Đặc điểm bộ điều khiển loic khả trình (PLC):.................................................................57
3.1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200:......................................................................................57
3.1.3 Cấu trúc bộ nhớ S7-200...................................................................................................58
3.1.4 Xử lý chương trình...........................................................................................................58
3.1.5 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành:.....................................................................59
AC/DC/RELAY........................................................................................................................59
DC/DC/DC................................................................................................................................59
3.2 CHƯƠNG TRÌNH NGẮT:.................................................................................................60
3.2.1 Giới thiệu về ngắt trong S7 200.......................................................................................60
3.3 TỔNG QUAN VỀ OPC......................................................................................................61
CHƯƠNG 4:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI............................................................................64
4.1
GIỚI THIỆU VỀ WINCC FLEXIBLE............................................................................64
4.2
MỘT SỐ THUỘC TÍNH NỔI BẬT CỦA WINCC FLEXIBLE:....................................65
4.2.1 Thiết lập giao thức kết nối:..............................................................................................65
CHƯƠNG 5: ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ..................................................................................70
PHẦN 3.....................................................................................................................................72
PHỤ LỤC..................................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................73
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
3
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
LỜI NÓI ĐẦU
Trong 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.
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
Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
4
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
LỜI CẢM ƠN
Để đề tài chuyên đề “ Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp” được
đi rõ ý hơn thì chúng em xin được đi sâu vào phần “Điều khiển vận tốc và
moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens” để
đạt được một số mục tiêu đặt ra, hoàn thành đúng thời gian, chúng em xin chân
thành cảm ơn:
TS. Nguyễn Anh Tú-GVHD -trưởng Bộ môn Tự động hoá công nghiệpgiảng viên Khoa Cơ Khí _ Cơ Điện Tử, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội 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
chuyên đề này.
- chúng em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của
toàn thể Giáo Viên Bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Kỹ
Thuật Công Nghiệp 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 CD-DH-CDT1-k9
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
Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
5
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
BỘ MÔN ROBOT CÔNG NGHIỆP
NHIỆM VỤ CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP
SINH VIÊN NGÀNH CƠ KHÍ
HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: Nguyễn Tôn Hùng.........MSSV: 0974020042
Phạm Quang Hưng.......MSSV: 0974020024
TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRONG ROBOT CÔNG
NGHIỆP - ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ AC-SERVO
BẰNG PLC KẾT HỢP WINCC-FLEXIBLE
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
NHIỆM VỤ CHUYÊN ĐỀ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ CHUYÊN ĐỀ:.............................................................
NGÀY HOÀN THÀNH CHUYÊN ĐỀ:..................................................................
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 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
( Ký và ghi rõ họ và tên)
( Ký và ghi rõ họ và tên)
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
6
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
7
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
PHẦN I
ĐẶT VẤN ĐỀ
N
I.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
gày 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 cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức
độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác gia
công về hình dáng hình 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.
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
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
8
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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.
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 trên lý thuyết 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.
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
a. PLC Siemens S7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA.
b. Chương trình điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0.
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
9
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
c. Thiết lập giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexible
bằng phần PC Access.
d. Tạo giao diện điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCC Flexible.
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
–
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:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI
CHƯƠNG 4:ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
10
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
PHẦN II
GIẢI QUYẾT
VẤN ĐỀ
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
11
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN
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 năng nề, cồng kềnh mà lại hiệu
suất 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 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 triển theo nhiều hướng để điều
khiển được dễ dàng, chính xác, điều khiển vòng kín (hồi tiếp): động cơ đặc biệt,
động cơ bước, động cơ servo…
1.2TÌNH 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
dùng 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 mã đẹp do đó động cơ servo được 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.
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
12
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO
2.1TỔNG 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.
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
13
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
2.1.2
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):
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
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
14
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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.
2.2HỆ 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
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
15
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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.
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 : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
16
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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:
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
17
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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).
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:
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
18
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
Chuyển động tịnh 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 khoảng 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 : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
19
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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 : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
20
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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 : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
21
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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 khoảng 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, hoặc 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.
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
22
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
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 mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam
châm (sử dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet).
2.3.2.2 Tăng khả năng đáp ứng:
Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa
là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số.
Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp
ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra
một cách 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 sự biến đổi dòng điện do mạch
điều khiển yêu cầu. Các động cơ servo thuộc loại 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.
2.3.2.3 Mở rộng vùng điều khiển (control range):
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ
lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên
nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so
với điện áp định mức.
Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu
đựng hoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ (nghĩa là động cơ làm
việc ở đoạn phía dưới cách xa đoạn định mức. Như vậy động cơ servo thuộc loại
này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
23
Phạm Trung Kiên
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
hiếm (rare earth).
2.3.2.4 Khả năng ổn định tốc độ:
Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó
rất ổn định.
Không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế.
Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở
1750 rmp mà nó chỉ dao động quanh giá trị này. Động cơ servo khác biệt với
động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khá cao. Các động cơ servo loại này
thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot).
Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từ lên khá cao
và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc
biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khác đặc biệt để có thể đáp ứng được
yêu cầu này. Một hình ảnh minh hoạ
2.3.2.5 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ:
Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín
hiệu điều khiển ở tần số rất và có khả năng chịu được được những yêu cầu tăng
tốc bất ngờ từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao). Những
động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
24
Đề tài: Điều khiển động cơ trong robot công nghiệp
GVHD : NGUYỄN ANH TÚ
thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi
than (đối với DC).
Một động cơ servo có thể một số đặc điểm trên để phù hợp với nhu cầu
điều khiển của người điều khiển.
2.3.1
Nguyên lý hoạt động của encoder:
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có
thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí
góc.
Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder (tuyệt đối) và incremental
encoer (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 vòng lỗ. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để
thiết bị đo đếm lên 1. Do vậy, encoder loại này có tên incremental encoder
(encoder tăng lên 1 đơn vị) do đó không thể cho ta biết chính xác vị trí.
Việc thiết kế encoder tuyệt đối cần quá nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn
về kích thước của encoder, bởi vì 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 trong đa số các
Motor, incremental optical encoder được dùng và mô hình động cơ servo trong
bài này cũng không ngoại lệ.
Hình 2. Optical Encoder
SVTH : Nguyễn Tôn Hùng
Phạm Quang Hưng
Phạm Trung Kiên
25
