Xây dựng mô hình điều khiển động cơ DC servo phục vụ giảng dạy tại bộ môn điện điện tử, trung tâm việt đức

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH ÐIỀU KHIỂN ÐỘNG CƠ DC
SERVO PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TẠI BỘ MÔN
ÐIỆN – ÐIỆN TỬ, TRUNG TÂM VIỆT ÐỨC

MÃ SỐ: T2015-174

S K C0 0 5 6 3 4

Tp. Hồ Chí Minh, 2015


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 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
SERVO PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TẠI BỘ MÔN ĐIỆN –
ĐIỆN TỬ, TRUNG TÂM VIỆT ĐỨC
Mã số: T2015-174
Chủ nhiệm đề tài: Th.S. Trần Kế Thuận

TP. HCM 10/2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM VIỆT ĐỨC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
SERVO PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TẠI BỘ MÔN ĐIỆN –
ĐIỆN TỬ, TRUNG TÂM VIỆT ĐỨC

Mã số: T2015-174
Chủ nhiệm đề tài: Trần Kế Thuận
Thành viên đề tài:

TP. HCM, 10/2015


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

BÁO CÁO TĨM TẮT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG
XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

SERVO PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TẠI BỘ MÔN ĐIỆN –
ĐIỆN TỬ, TRUNG TÂM VIỆT ĐỨC
Mã số: T2015-174

Chủ nhiệm đề tài: Th.S. Trần Kế Thuận

TP. HCM, 10/2015


MỤC LỤC
Chương 1: MỞ ĐẦU

3

1.1 Đặt vấn đề:

3

1.2 Mục đích nghiên cứu:

3

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

3

1.4 Giới hạn nghiên cứu:

3

1.5 Tình hình nghiên cứu:

4

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỀU CHỈNH CHÍNH XÁC GĨC QUAY
5
2.1 Khái niệm động cơ Servo

5

2.2 Phân loại động cơ Servo

6

2.2.1 DC Servo

6

2.2.2 AC Servo

7

2.2.3 Sự khác biệt giữa động cơ thường và động cơ Servo

10

2.2.4 Động cơ bước

11

2.2.5 Tóm lược đặc trưng các loại động cơ điều chỉnh góc quay

13

2.2.6 Encoder

13

Chương 3: DRIVER MSDI V2.0 VÀ CÁCH SỬ DỤNG

18

3.1 Driver MSDI V2.0

18

3.1.1 Giới thiệu

18

3.1.2 Một số tính năng cơ bản

18

3.1.3 Thơng số kỹ thuật

19

3.1.4 Thông tin về các chân trên Driver MSDI

19

3.1.5 Kết nối

20

3.2 Phần mếm DcTunerPro

21

3.2.1 Cài đặt

21
1


3.2.2 Các thơng tin chính của DcTunerPro

23

3.2.3 Kiểm tra Driver MSDI

25

3.2.4 Sử dụng PLC S7-1200 kết hợp với Driver MSDI điều khiển DC Servo 27
3.2.4.1 Cấu hình các bộ phát xung PTO hoạt động

28

3.2.4.2 Cấu hình cho đối tượng kỹ thuật Axis

32

3.2.4.3 Lập trình kiểm tra sự hoạt động

41

Chương 4: KẾT LUẬN & ĐỀ NGHỊ

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

44

2


Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề:
Khi ta cấp điện thì động cơ sẽ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta khơng biết, kể
cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận
được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định động cơ phải quay theo chủ
đích của chúng ta là điều không dễ dàng nếu như ta khơng có các cơng cụ hỗ trợ
tương ứng.
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vịng 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, cơcấu 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 xác.

Khi nói về chun đề này ở các học phần: Máy điện, Điều khiển lập trình (PLC), sinh
viên rất mơ hồ vì thiếu các mơ hình điều khiển trực quan. Để giải quyết vấn đề này,
thiết nghĩ cần phải xây dựng mơ hình điều khiển động cơ DC Servo nhằm tăng tính
trực quan cho Sinh viên khi học tập và nghiên cứu tại Trung tâm Việt Đức.
1.2 Mục đích nghiên cứu:
Xây dựng mơ hình điều khiển động cơ DC Servo phục vụ giảng dạy tại bộ môn Điện Điện tử, Trung tâm Việt Đức nhằm tăng tính trực quan cho Sinh viên khi học tập và
nghiên cứu về động cơ DC Servo.
1.3 Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ DC Servo và board điều khiển
1.4 Giới hạn nghiên cứu:

3


Trong phạm vi đề tài “Xây dựng mơ hình điều khiển động cơ DC Servo phục vụ giảng dạy tại
bộ môn Điện - Điện tử, Trung tâm Việt Đức”, tác giả sẽ xây dựng mơ hình động cơ DC Servo
kết nối với Board mạch và PLC S7 -1200.

1.5 Tình hình nghiên cứu:
Ngày nay động cơ DC Servo đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt là Robot
công nghiệp tuy nhiên có một mơ hình để Sinh viên học tập một cách trực quan tại Trung tâm
Việt Đức là chưa có.

4


Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỀU CHỈNH CHÍNH XÁC
GỐC QUAY
2.1 Khái niệm động cơ Servo
Servo

(Servus):
Nô
lệ.
Servo đư
ợc thiết
kế

cho

những hệ
thống hồi
tiếp vịng
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 xác. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động
cơ servo RC (radio-controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều

5


khiển bằng vơ tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo

nhận tín hiệu từ máy thu này.

Hình 2.1: Cấu tạo trong động cơ Servo
Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ khơng phải quay liên tục như động cơ
DC hay động cơ bước.
Cơng dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 9001800. Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống,
quay một cảm biến để qt khắp phịng
Ta có thể điều khiển Servo bằng máy tính, Board điện tử hoặc PLC

2.2 Phân loại động cơ servo:
2.2.1 DC Servo
Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi
hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ và vị trí. Mặc dù với sự phát
triển của cơng nghệ điện tử, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tần ngày càng phát
triển mạnh mẽ nhưng động cơ DC Servo vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ
điều khiển số.
Động cơ DC Servo có 2 loại: Có chổi than và khơng chổi than.
a) DC Servo có chổi than
DC Servo có chổi than gồm 4 thành phần cơ bản: Stator của động cơ là một nam châm vĩnh
cửu, cuộn dây phần ứng lắp trên roto. Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định được sinh
ra từ nam châm vĩnh cữu gắn trên stator tương tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khi
có dịng điện chạy qua nó. Q trình tương tác đó sinh ra moment tác động lên trục roto.
Moment này biểu diễn theo phương trình:

6


Hình 2.2: Cấu tạo DC Servo chổi than và hệ phương trình

Ưu điểm của động cơ DC Servo có chổi than là đơn giản trong điều khiển và giá thành rẻ. Tuy

nhiên sử dụng chuyển mạch cơ khí gây ồn, tăng nhiệt độ trên vành góp và qn tính roto cao
khi giảm tốc độ. Để khắc phục nhược điểm trên người ta sử dụng động cơ DC Servo không
chổi than.

b) DC Servo khơng có chổi than
DC Servo khơng có chổi than được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điều khiển số. Cấu
trúc cơ bản giống như động cơ DC Servo có chổi than nhưng khác là các cuộn pha của động cơ
lắp trên stato và roto là nam châm vĩnh cửu. Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari
coban. Roto làm từ vật liệu samari coban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp. Nhưng giá
thành roto cao hơn nhiều so với roto làm từ vật liệu ferti. Chỉ chế tạo cho động cơ có cơng suất
lớn.
Để điều khiển chính xác cả về vị trí và tốc độ động cơ DC Servo khơng chổi than cần phải có
mạch hồi tiếp, tín hiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục, tín hiệu hồi
tiếp phải cấp liên tục cho mạch điều khiển để đảm bảo chính xác chuyển động.
Trong công nghiệp thiết bị mạch hồi tiếp của động cơ thường sử dụng là cảm biến tốc độ
(Tachometer) chổi than hoặc không chổi than, sensor hiệu ứng Hall, encoder, resolver và
synchro.
Trên động cơ có hệ thống phanh, sensor đo tốc độ, chuyển mạch hiệu ứng Hall, sensor kiểm tra
nhiệt độ động cơ. Có 2 kiểu cơ bản của hệ điều khiển động cơ Servo là tương tự và số.
Hệ điều khiển Servo kiểu tương tự là sử dụng mạch điện để thực hiên bù sai số vị trí và tốc độ.
Hệ gồm các cụm điều khiển cơ bản là: máy tính điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và động cơ
một chiều không chổi than. Mối quan hệ giữa các cụm điều khiển chỉ rõ trong hình với tín hiệu
7


phản hồi vị trí từ bộ Encoder hoặc Sesolver qua mạch phản hồi để hồi sinh ra sai số tốc độ và
sai số được đưa đến hệ điều khiển tốc độ để xử lý cho phù hợp với vị trí. Hệ điều khiển tốc độ
chứa mạch phản hồi tốc độ sinh ra từ Tachometer. Tín hiệu được so sánh với tín hiệu được đưa
ra từ hệ điều khiển vị trí và sinh ra điện áp, dòng phù hợp bù cho sai số vị trí và tốc độ.
2.2.2 AC Servo

Hiện nay trong máy công cụ điều

khiển

số dùng khá phổ biến động cơ AC

Servo,

nhược điểm của động cơ AC
là hệ điều chỉnh tốc độ động cơ
tạp và đắt tiền so với động cơ DC

Servo
phức
Servo.

Hệ điều khiển tốc độ động cơ

AC

Servo dựa trên cơ sở biến đổi tần

số.

Tốc độ động cơ được xác định theo tần số nguồn. Một trong những phương pháp điều
khiển tốc độ động cơ AC Servo là biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều nhờ bộ
chỉnh lưu 3 pha, sau đó biến đổi dịng 1 chiều thành dòng xoay chiều nhưng ở tần số đã
được lựa chọn.
Nguyên lý hoạt động: Đây là một động cơ góc quay 120 độ cho mỗi bước. Rotor trong động
cơ có 2 răng. Stator có ba cực cách nhau 120 độ. Khi cuộn một kích điện thì răng của rotor bị

hút vào cực một. Nếu dòng qua cuộn một bị ngắt và đóng dịng cho cuộn hai, rotor quay 120 độ
ngược kim đông hồ và răng của rotor sẽ hút vào cực hai. Để quay động cơ này một cách liên
tục, chúng ta cần cấp điện liên tục luân phiên cho ba cuộn dây. Bảng dưới đây thể hiển rõ quá
trình hoạt động của động cơ servo.

8


Các đặc điểm hoạt động động cơ AC Servo

9


Sư ̣ khác nhau giữa DC Servo và AC Servo:
- Nam châm vĩnh cửu được gắn sẳn trên roto - từ trường quay.
- Cuộn dây được cung cấp trên các Stator - tĩnh phần ứng.
2.2.3 Sư ̣ khác biêṭ giữa đô ̣ng cơ thường với đô ̣ng cơ servo:
Về kết cấu và hoạt đông của động cơ servo về cơ bản giống động cơ thường. Nhưng thiết kế để
đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao kiểm sốt tốc độ và vị trí của các phương tiê ̣n
cơ khí. Khơng 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.
a) Tăng tốc độ đáp ứng tốc độ:
Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang
khác thì cần có một khoảng thời gian quá độ. Trong một số
cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh

tốc độ
nhu
chóng

để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn
hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất. Các động
thường khơng thể đáp ứng được điều này.Để động cơ đáp
được những u cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho
ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.

nhất,
cơ
ứng
rút

10


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 bỏcơ cấu sắt khơng
cần thiết. Để tăng dịng giới hạn, động cơ servo có thể
dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng
cho phù hợp. Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì

sử
lõi sắt
nó cần

được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ và tăng

khả

năng từ tính của nam châm.
b) Tăng khả năng đáp ứng:

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc
phải “mềm” nghĩa là gia tốc 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”,
quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến
Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải
điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến
dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu. Các động cơ
thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn
trong mạch và có khả năng thu hẹp các vịng từ trong

cần

tức là
tính.
có
đổi
servo
dây
mạch

từ khe hở khơng khí.
c) 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 được
của động cơ. 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. Như vậy động cơ servo thuộc loại
này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare
earth).
d) 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.
Như các ta biết là khơng có mạch điện hồn hảo, khơng có từ trường hồn hảo trong thực tế.
Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm khơng có nghĩa là nó ln ln 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

11


định tốc độ khác 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
2.2.4 Động cơ bước
Khái niệm: Động cơ bước được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch.
Cụ thể, các mấu trong động cơ là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp
của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các
mạch đều phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển, và đặc biệt các động cơ và bộ điều
khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ ngun bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là cũng có
thể quay bất kỳ vị trí nào.
Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá
nhanh, và với một số bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở vị
trí bất kỳ nào đó.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động
cơ điện thơng thường.Thực chất nó là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều
khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển
động của rotor có khả năng cố định rotor ở những vị trí cần thiết.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, những hệ thống
này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh nhưng khi tải trọng thay đổi
hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn điều khiển vịng kín với động cơ bước. Nếu một
động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị
mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì khơng xảy ra vấn đề này.
Phân loại và đặc điểm động cơ bước

Xét về cấu tạo động cơ bước

được

chia thành 3 loại:
 Động cơ bước nam châm
cửu.
 Động cơ bước biến trở

vĩnh
từ.

 Động cơ bước lai.
Nếu mất đi nhãn trên động cơ,

các

bạn vẫn có thể phân biệt hai loại

động

cơ này bằng cảm giác mà không

cần
12


cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay
nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy
chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có thể phân biệt hai

loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung,
trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc khơng có nút
trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 900 độ mỗi bước, trong khi
đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.80 độ đến 0.720 độ mỗi bước. Với
một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở
chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn
gọi là vi bước.
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ
được kích, rotor (ở khơng tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho
đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ.

13


2.2.5 Tóm lược đặc trưng các loại động cơ điều chỉnh được góc quay:

2.2.6 Encoder
Khái niệm: Encoder là một bộ mã hóa vịng quay với mục đích dùng để quản trị vị trí góc của
một đĩa quay, tính hiệu ra của encoder được đưa ra dưới dạng tín hiệu số.

Cấu
tạo:
gồm
một
cặp
diod
e
thu
phát

tín
hiệu
qua
ng học từ một đĩa tròn (chuyển động tròn) hay một thước thẳng (chuyển động dài) có đục lỗ
hay sơn tạo ra các điểm có khoảng cách đều.

14


-

Đĩa quay được xẻ rãnh gắn vào trục.

-

Một nguồn sáng và 1 tế bào quang điện bố trí thẳng hàng.

-

Mạch khuếch đại.

Nguyên lý hoạt động
Khi một đĩa tròn quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh), người ta dùng đèn led để chiếu lên
mặt đĩa. Phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu (photosensor). Với các tín
hiệu có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ hay
khơng.
Ví dụ: Giả sử trên đĩa quay chỉ có n lỗ, cứ mỗi lần mắt thu được n tính hiệu led có nghĩa là đĩa
quay được một vịng. Với đĩa có 6 lỗ thì mắt thu được 6 tín hiệu có nghĩa la led quay được một
vịng.
Hiện nay trên thị trường thường sử dụng các loại Encoder được sử dụng thường có tần số xung

thấp <10khz , chỉ có trong các ngành cơng nghiệp hoặc quốc phịng thì mới sử dụng Encoder
có tần số >10khz ( hoặc >20khz).
Gọi tần số xung phát ra từ kênh A ( kênh B )
1s là : n. Khi đó ta gọi số xung của đĩa
là : Ne ( khi động cơ quay được 1 vịng thì
hoặc B sẽ xuất ra Ne xung)  tốc độ của
cơ sẽ là : v = n / Ne (vịng/giây)

trong
encoder
kênh A
động

Phân loại: Hiện có hai loại:
-Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): Các loại mã được sử dụng: mã nhị phân, mã
gray, mã BCD.
- Encoder tương đối (Incremental encoder): kiểu thẳng và kiểu quay.

15


a) Encoder tuyệt đối (absolute ancoder): Lợi thế sử dụng trong trường hợp góc quay nhỏ và
động cơ quay khơng nhiều vòng.
Cấu tạo: Bộ phát ánh sáng (LED phát), đĩa mã hóa (chứa các dải băng mang tín hiệu) và một bộ
thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photosensor).
Như hinh với Encoder có hai vịng

lổ,

ta

có 2 led phát sáng (có thể sử dụng

1

led

nhưng led này phải có cơng suất

mạnh)

khi đĩa quay qua các phần đen thì
photosensor sẽ khơng nhận được
hiệu và ngược lại với các phần

tín
trong

suốt của đĩa. Khi nhận được tín
photosensor sẽ phát ra các xung và
các xung này qua mạch khuếch đại
xung dễ dàng hơn (xung đươc dưa ra dưới dạng xung vng).

hiêu
đưa
để đọc

Cách xác định vị trí chính xác góc quay encoder tuyệt đối:
-

Với một số nhị phân có 2 chữ số (hai vịng lổ), chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4
trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4
phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vịng.

-

Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác dến
(1/2n) vịng

Hình

2.3: xác

định vị trí
quay
Encoder

góc

Ví dụ: Nếu Encoder ở vị trí góc phần
tư thứ
nhất thì ở vịng thứ nhất ta sẽ thu được tín hiệu là 1 và vịng thứ 2 cũng là 1. Tương tự như vậy
16


nhờ cách xác định tín hiệu thu được ở các vịng lỗ ta cũng sẽ xác định chính xác vị trí của
Enccoder.
Độ phân giải: Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào số bit đầu ra.
-

Ví dụ: 4 bit -> 24 = 16 vùng => độ phân giải: 22.50

-

10 bit -> 210 =1024 vùng => độ phân giải: 0.360

Ưu và nhược điểm của Encoder tuyệt đối:
-

Ưu điểm: Thông tin vị trí là đầu ra số và là giá trị tuyệt đối. Giữ được giá trị góc
tuyệt đối khi mất nguồn.

-

Nhược điểm: Giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu ngõ ra khó.

b) Encoder tương đối (incremental encoder)
-

Về căn bản econder tương đối và tuyệt đối gần như giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa
mã hóa.

-

Encoder tương đối là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vịng lỗ.

-

Encoder tương đối có hai loại:
-

Encoder tương đối kiểu quay.

-

Encoder tương đối kiểu thẳng.

Encoder tương đối kiểu quay: Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tín hiệu
từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên
một
giá trị trong biến đếm
Đối với Encoder tương đối nếu số tín hiệu bị lỗi
thể dựa vào lổ định vị để biết ancoder quay hết
một vòng.

ta

Người ta đưa vào thêm một lỗ định vị như vậy
có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi

cho dù
ngang

có
được

qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là
encoder đã bị đếm sai ở đâu đó.
Encoder tương đối kiểu thẳng: Đĩa mã hóa là một thước thẳng và dùng để đo kích thước
thẳng. Chiều dài Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa là chiều

dài cần đo phải bằng chiều dài thước. Vì vậy Encoder thẳng thường đắt hơn nhiều so với
Encoder dạng quay.
17


Về nguyên lý hoạt động thì encoder tương đối cũng tương tự như encoder tuyệt đối nhưng đối
với encoder tương đối ta khơng thể lưu lại vị trí góc khi mất điện. Giá thành, yêu cầu kỹ thuật
cũng đơn giản và rẻ hơn nhiều so với Encoder tuyệt đối.

18


Chương 3: DRIVER MSDI V 2.0 VÀ CÁCH SỬ DỤNG
Như trên đã trình bày, muốn điều khiển động cơ Servo, ta không thể điều khiển trực tiếp giống
động cơ thường mà cần phải có khâu trung gian. Ở đây người nghiên cứu sử dụng Driver
MSDI V2.0, phần mền ứng dụng DcTunerPro và PLC S7-1200 với TIA Portal V12.
3.1 Driver MSDI V2.0

Hình 3.1: Driver MSDI V2.0
3.1.1 Giới thiệu
Driver MSDI là Driver số sử dụng cho DC Servo phát triển dựa trên cơng nghệ MOSFET. Về
điều khiển vị trí, nó cho phép người dùng cuối dễ dàng nâng cấp lên MSDI V4.
Ở những ứng dụng điều khiển công suất thấp, năng suất điều khiển của hệ thống DC Servo này
cho hiệu quả tốt hơn AC Servo trên phương diện vận tốc, độ chính xác, tiếng ồn… Tuy nhiên,
giá thành thì rẽ hơn nhiều so với hệ thống AC Servo.
Công cụ tinh chỉnh trực quan, bao gồm DcTunerPro nên có thể đáp ứng các yêu cầu tùy theo
môi trường ứng dụng.
3.1.2 Một số tính năng cơ bản
19

 10-40VDC; 0-20A; 20-400W
 Công cụ điều khiển tham số trực quan, bao gồm DcTunerPro
 Sai số vị trí có thể loại trừ còn 1, sai số tốc độ +/- 0,3%
 Ngõ vào cách ly Opto, hỗ trợ ngõ vào đơn – cuối
 Khắc phục được các sự cố: quá dòng, quá áp, sụt áp, sai pha, sai số encoder
3.1.3 Thơng số kỹ thuật chính
Thơng số

MSDI
Min.

Typical

Max

Unit

Dịng đỉnh ngõ ra

0

-

30

A

Điện áp cấp

10

-

40

VDC

Dịng tín hiệu Logic

7

10

15

mA

Tần số xung ngõ vào

0

-

500

KHz

Điện trở cách điện

MΩ

500

Dịng cấp Encoder

200

mA

3.1.4 Thơng tin về các chân trên Driver MSDI
Bus kết nối tín hiệu điều khiển 1
Pin

Tín hiệu

Diễn giải

I/O

1

PUL+

Tín hiệu xung điều khiển (+). (0V-0,5V: Xung thấp;
3V-5V: Xung cao; Nếu dùng điện áp từ 12V-24V cần
phải có điện trở nối tiếp để hạn dòng)

I

2

DIR+

Ở chế độ điều khiển xung đơn, cần sử dụng tín hiệu áp
cao (3-5 v) hoặc áp thấp (0-0,5v) để điều khiển hướng
quay của động cơ. Tín hiệu DIR cần xuất hiện trước
tín hiệu PUL tối thiểu là 5µs. Chiều quay động cơ phụ
thuộc cách đấu dây cũng như sự phản hồi tín hiệu từ
Encoder

I

3

EN+

Tín hiệu điều khiển. Mặc định mức thấp sẽ hoạt động,
mức cao không hoạt động

I

4

NC

Không kết nối

I

5

NC

Không kết nối

I

6

COM

I
20


7

B

8

A

RS485

I/O

3.1.5 Kết nối
Chú ý:

R = 0 nếu Vcc = (3-5)V
R = 1K (>0,125W), nếu Vcc = 12V
R = 2K (>0,125W), nếu Vcc = 24V

Hình 3.2: Kết nối giữa Driver với PLC

Hình 3.3: Kết nối giữa Driver với máy tính

Hìn
h
3.4:
Kết
nối
độn
g
cơ
DC
Ser
vo
–
Dri
ver – bộ điều khiển
 P+: Nguồn dương từ bộ nguồn cấp cho Driver (10-40VDC, 0-20A)
21