CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SERVO Khi cần tạo ra chuyển động
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO
KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ SERVO
Servo là một hệ thống gồm ba bộ phận chính là servo drive (bộ điều khiển servo), servo motor (động cơ servo) và encoder, tạo nên khả năng điều khiển chuyển động chính xác cho nhiều thiết bị và máy móc Hệ thống servo được ứng dụng rộng rãi từ các ứng dụng cơ bản cho tới đa năng và chuyên dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, nhờ khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn Động cơ servo cung cấp lực chuyển động cần thiết cho hoạt động của các thiết bị máy móc, đồng thời làm việc phối hợp với encoder để tối ưu hóa độ chính xác và hiệu suất vận hành.
Hình 1.1: Một số hình ảnh Động cơ servo
PHÂN LOẠI
Nhìn chung có 2 loại động cơ servo: Động cơ servo AC, động cơ servo
Động cơ Servo DC có khả năng xử lý các dòng điện cao và thường được sử dụng trong máy móc công nghiệp, trong khi DC servo không được thiết kế cho các dòng điện quá lớn và phù hợp hơn cho các ứng dụng nhỏ Có hai loại servo phổ biến là động cơ Servo AC và Động Cơ AC Servo; động cơ AC Servo hoạt động dựa trên dòng điện xoay chiều và được gọi chung là động cơ AC Servo.
Hình 1.2: Động Cơ AC Servo - AC Servo Motor Đặc điểm nổi bật:
Chịu được dòng điện lớn
Thích hợp với những ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trọng tải nặng
Điều khiển phức tạp Động cơ AC Servo có hai dạng phổ biến:
Động cơ AC Servo đồng bộ
Động cơ Servo có hai loại phổ biến là động cơ Servo AC cảm ứng và động cơ DC Servo (DC Servo Motor) Động cơ DC Servo là loại động cơ Servo hoạt động khi được cung cấp nguồn điện một chiều, còn động cơ Servo AC cảm ứng sử dụng nguồn điện xoay chiều để điều khiển Cả hai loại đều được ứng dụng trong tự động hóa và điều khiển chính xác, tùy thuộc vào yêu cầu về mô-men xoắn, tốc độ và độ nhạy của hệ thống.
Hình 1.3: Động Cơ DC Servo - DC Servo Motor Đặc điểm nổi bật:
Thiết kế không cho phép chịu được dòng điện lớn
Lựa chọn tối ưu cho những ứng dụng vừa và nhỏ
Giá thành rẻ hơn so với AC Servo
Cài đặt và điều chỉnh đơn giản - dễ dàng
Tốc độ bị giới hạn
Tiếng ồn phát sinh trong quá trình hoạt động
Không thích hợp với những môi trường có nhiều bụi bẩn Động cơ DC Servo có những loại sau:
Động cơ DC Servo có chổi than
Động cơ DC Servo không chổi than
Động cơ RC Servo nhỏ gọn dùng trong những ứng dụng IOT
CẤU TẠO
Cấu tạo chung của 1 động cơ servo gồm: Rotor và Stator
Hình 1.4: Hình ảnh cấu tạo Động cơ servo AC
Hình 1.5: Hình ảnh cấu tạo Động cơ servo DC
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh, đóng vai trò chính trong việc tạo mô-men quay khi tương tác với từ trường do stator sinh ra Stator được thiết kế với các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để tạo từ trường quay đồng thời Sự phối hợp chính xác giữa trình tự cấp nguồn cho các cuộn dây và đặc tính từ trường của rotor cho phép rotor quay liên tục, từ đó động cơ vận hành ổn định và hiệu quả Việc tối ưu hóa thiết kế cuộn dây stator và trình tự cấp nguồn giúp tăng mô-men xoắn, cải thiện hiệu suất và kiểm soát tốc độ của động cơ.
Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Khi đó 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 nhất Bộ điều khiển servo.
ƯU, NHƯỢC ĐIỂM
* Động cơ servo AC Ưu điểm: Điều khiển tốc độ tốt, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như không dao động, hiệu suất cao hơn 90%, ít nhiệt, điều khiển tốc độ cao, điều khiển vị trí chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa) Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp, không có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với môi trường không có bụi, nổ)
Nhược điểm: Điều khiển phức tạp hơn, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn
Động cơ servo DC có nhiều ưu điểm nổi bật cho các hệ thống điều khiển tự động Ưu điểm lớn nhất là khả năng kiểm soát tốc độ chính xác và đặc điểm mô-men xoắn thay đổi theo tốc độ, giúp duy trì hiệu suất làm việc ở nhiều tải khác nhau Nguyên lý điều khiển của động cơ servo DC tương đối đơn giản, dễ tích hợp và dễ sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí và tốc độ Bên cạnh đó, động cơ servo DC thường có giá thành hợp lý, mang lại giải pháp tiết kiệm chi phí cho các dự án và hệ thống tự động hóa.
Nhược điểm: Chổi than cho giới hạn tốc độ, sức đề kháng bổ sung, dẫn đến các hạt mài mòn (môi trường không có bụi không thích hợp)
ỨNG DỤNG
Ứng dụng trong ngành điện - điện tử: Máy lắp ráp là thiết bị lắp các linh kiện điện tử, ví dụ như các chip LSI lên trên bảng mạch, đòi hỏi tốc độ cao và độ chính xác cao Các servo AC đáp ứng đầy đủ yêu cầu này nhờ khả năng điều khiển nhanh nhạy và ổn định, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm cho dây chuyền sản xuất Việc lựa chọn servo AC phù hợp có tác động tích cực đến hiệu quả chi phí và độ tin cậy của quá trình tự động hóa trong ngành điện - điện tử.
Hình 1.6 minh họa ứng dụng của động cơ servo trong ngành điện – điện tử và cho thấy vai trò của nó trong sản xuất thực phẩm và đồ uống Với nhu cầu ngày càng tăng về quy trình sản xuất thực phẩm chất lượng cao và an toàn, động cơ servo được xem là giải pháp tin cậy cho nhiều lĩnh vực tự động hóa, kể cả các quy trình chế biến và đóng gói thực phẩm Việc áp dụng động cơ servo giúp cải thiện độ chính xác, kiểm soát tốc độ và tăng hiệu suất, đồng thời đảm bảo an toàn thực phẩm trong chuỗi sản xuất.
Hình 1.7 minh họa ứng dụng của động cơ servo trong các ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống, may mặc, cũng như giấy và bao bì Trong sản xuất thực phẩm và đồ uống, động cơ servo được dùng để điều khiển các máy cuộn, máy cắt và hệ thống in ấn với độ chính xác cao và tốc độ ổn định, từ đó tối ưu hóa quy trình và chất lượng sản phẩm Trong ngành may mặc, servo đảm bảo điều khiển chính xác cho máy cắt, máy se và các dải sản phẩm, giúp tăng năng suất và giảm lãng phí vải Trong ngành giấy và bao bì, động cơ servo kiểm soát quá trình cuộn, cắt và in ấn, duy trì kích thước và độ đồng nhất của sản phẩm Nhờ khả năng kiểm soát vị trí và vận tốc mượt mà, động cơ servo giúp tối ưu chu trình sản xuất, giảm thời gian dừng máy và tiết kiệm năng lượng.
Động cơ servo đang được ứng dụng ngày càng phổ biến trong ngành may mặc, ngành giấy và bao bì, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong khuôn mẫu đùn của ngành sản xuất nhựa Khuôn mẫu đùn là thiết bị gia công các bộ phận nhựa, nơi vật liệu nhựa được nung chảy và đùn vào khuôn để hình thành sản phẩm Các khuôn mẫu truyền thống chủ yếu sử dụng điều khiển thủy lực, tuy nhiên ngày nay nhiều khuôn đùn đã chuyển sang hệ thống servo để tiết kiệm điện, tăng độ chính xác và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Động cơ servo đóng vai trò quan trọng trong điều khiển vận chuyển và tự động hóa sản xuất Thiết bị vận chuyển là những linh kiện thiết yếu giúp các ngành công nghiệp vận hành hiệu quả khi hệ thống ngày càng tinh vi Một ứng dụng điển hình là di chuyển các thiết bị và hàng hóa trong kho qua hệ thống băng tải, nơi động cơ servo điều khiển tốc độ nhanh chậm một cách chính xác theo mục đích sử dụng Hình 1.9 minh họa hình ảnh ứng dụng của động cơ servo trong máy đùn.
Hình 1.10: Hình ảnh ứng dụng của động cơ servo trong điều khiển vận chuyển
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ SERVO
* Một số lưu ý khi sử dụng động cơ SERVO
Khi sử dụng động cơ AC Servo cho một số ứng dụng thì chúng ta nên sử dụng hộp số giảm tốc để tăng lực moment
AC Servo có kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ điện 3 pha bình thường, cho phép thiết kế hệ thống nhỏ gọn, tiết kiệm không gian và tăng tính linh hoạt Vì vậy, động cơ AC Servo được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng tự động hóa và điều khiển chính xác, nơi sự tối ưu về kích thước và hiệu suất là yếu tố quyết định.
Để giảm mô-men quán tính của hệ thống, ta cần giảm đường kính rotor nhưng vẫn đảm bảo thể tích và các giới hạn về công suất và nhiệt độ của động cơ Khi đường kính rotor được thu nhỏ, chiều dài động cơ phải tăng lên, vì vậy động cơ Servo sẽ dài hơn so với các động cơ thông thường Đây là một đặc điểm giúp nhận diện động cơ Servo: cùng một mô-men quay nhưng thiết kế với đường kính rotor nhỏ hơn và chiều dài lớn hơn sẽ tác động đến mô-men quán tính và khả năng đáp ứng của động cơ.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SERVO
Để tạo ra chuyển động quay chính xác theo vị trí, tốc độ và momen, hệ truyền động động cơ servo là yếu tố thiết yếu Động cơ servo chỉ hoạt động đúng chuẩn khi được tích hợp đầy đủ với bộ điều khiển, bộ driver và bộ mã hóa xung vòng quay (encoder) để tạo phản hồi cho quá trình vận hành của động cơ.
Bộ điều khiển, thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng, sẽ chạy chương trình điều khiển để đáp ứng đúng các yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
Bộ điều khiển động cơ là thiết bị điện tử cung cấp nguồn cho động cơ servo với đúng lượng và đúng thời điểm, nhằm điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động và phản hồi từ bộ mã hóa vòng quay cũng như từ chính động cơ servo Trong hệ thống điều khiển servo, bộ điều khiển nhận tín hiệu điều khiển, so sánh với giá trị đo được từ encoder và từ động cơ, sau đó điều chỉnh cấp nguồn để đạt được vị trí và tốc độ mục tiêu, đảm bảo độ chính xác và ổn định Đây là thành phần thiết yếu cho các ứng dụng tự động hóa và robot, nơi yêu cầu hiệu suất cao và liên tục.
Bộ mã hóa xung vòng quay - tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.
SƠ ĐỒ KHỐI
Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ truyền động servo.
NGUYÊN LÝ
Động cơ DC và động cơ bước là những hệ hồi tiếp vòng hở: ta cấp điện để động cơ quay nhưng không biết chính xác nó quay được bao nhiêu vòng; kể cả với động cơ bước, góc quay chỉ xác định theo số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điều khiển nhằm xác định các yếu tố ngăn cản chuyển động quay hoặc khiến động cơ không quay không hề dễ dàng, bởi cần phân tích đặc tính động cơ, tín hiệu điều khiển và tải trọng để điều chỉnh vận tốc, moment xoắn và đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.
Động cơ servo được thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín, với tín hiệu ra được nối vào mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay, cơ chế hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt vị trí mong muốn, và mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch để động cơ đạt được điểm chính xác Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho tới các mô hình máy bay và xe hơi Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
CÁC PHẦN CỦA MỘT ĐỘNG CƠ SERVO - ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU (MOTOR)
Biến trở ( Potentiometer), hộp giảm tốc (Gear box), mạch điều khiển (Electronic board), vỏ (Cover), dây tín hiệu (Signal wire)
Động cơ servo là một động cơ một chiều kết nối với mạch điều khiển để hình thành mạch hồi tiếp vòng kín Cả mạch điều khiển và động cơ được cấp nguồn DC, thường từ 4.8–7.2 V Để quay động cơ, tín hiệu số được gửi tới mạch điều khiển; tín hiệu này kích hoạt động cơ thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn, không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước.
Động cơ servo có chức năng chính là đạt được góc quay chính xác trong phạm vi 90°–180°, cho phép kiểm soát vị trí một cách ổn định và lặp lại Nhờ khả năng điều khiển góc quay chính xác, servo được ứng dụng phổ biến để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống và quay cảm biến để quét khắp phòng, giúp tối ưu hóa hệ thống tự động hóa và các ứng dụng robotics.
SERVO VÀ ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG
Trục động cơ servo được định vị nhờ kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một chuỗi xung số ổn định, với các xung có độ dài biến đổi từ 1–2 ms Các xung này được gửi đi với tần suất khoảng 50 lần mỗi giây, tuy nhiên điều quan trọng nhất là chiều dài của mỗi xung chứ không phải tổng số xung trong giây Servo cần khoảng 30–60 xung/giây để đảm bảo độ chính xác và khả năng duy trì vị trí; nếu tần số này quá thấp sẽ làm giảm độ chính xác và công suất duy trì servo.
Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều
Với độ dài xung 2 ms, servo quay ngược chiều so với tín hiệu điều khiển Kỹ thuật này được gọi là tỷ lệ số‑chuyển động của servo, trong đó mức chuyển động của servo tỷ lệ với tín hiệu điều khiển số.
Trong hệ servo, công suất cấp cho động cơ tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra và vị trí đích cần đến Khi sai số nhỏ, động cơ được truyền động với vận tốc thấp để tránh vượt quá và giữ trục ở đúng vị trí mục tiêu Ngược lại, khi trục còn lệch xa vị trí đích, servo sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt Khi trục tới đúng vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc để dừng chính xác Quá trình điều khiển này diễn ra trong thời gian rất ngắn, một servo điển hình có thể quay với tốc độ cao và đáp ứng nhanh với sự biến đổi của yêu cầu vị trí.
Các servo khác nhau sẽ quay ở các góc quay khác nhau khi nhận cùng tín hiệu PWM 1–2 ms (hoặc tín hiệu tương đương) được cấp Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới lui từ 90° đến 180° khi được cung cấp đầy đủ chu kỳ xung Phần lớn servo có thể quay được 180° hoặc gần 180°.
Vượt quá giới hạn cơ học của servo sẽ khiến trục ra va chạm với vật cản bên trong, gây mòn hoặc rơ các bánh răng Hiện tượng này kéo dài trên vài giây có thể dẫn tới phá hủy bánh răng của động cơ.
Trong thực tế, điều khiển động cơ quay với độ chính xác cao để tránh hiện tượng trượt và quét đầy đủ toàn bộ khoảng trống là rất khó nếu không có sự bù trừ Hệ thống servo bắt buộc có các hàm lệnh thực hiện việc bù trừ và hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác Như trong hình minh họa, hệ thống servo gửi xung hiệu chỉnh có dấu cộng/trừ với một số lượng xung điều khiển, và các xung hiệu chỉnh này sẽ không được tính vào bộ đếm xung.
ĐIỀU KHIỂN SERVO
CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN
* Mạch vòng điều khiển tốc độ ( Velocity Loop )
Hình 2.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo
Trong quá trình tăng tốc hoặc giảm tốc của động cơ servo, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi vận tốc thực tế và chiều quay tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc tới bộ điều khiển chuyển động Thông tin này cho phép hệ thống điều khiển nhận diện chính xác tình trạng quay và điều chỉnh vận tốc, hướng quay và vị trí một cách hiệu quả, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của quá trình chuyển động.
Trong mạch vòng điều khiển tốc độ, hệ thống so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại và dựa vào sai số tốc độ cùng các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng.
Nhờ cách điều khiển này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ, khi động cơ servo truyền động cho một cơ cấu có tải trọng lớn, việc giảm tốc có thể gặp khó khăn; trong trường hợp này, động cơ có thể tăng mô-men ngược để dừng tải đúng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng.
* Mạch vòng điều khiển mômen ( Current Loop )
Hình 2.5 Mạch vòng điều khiển mô men động cơ
Mô men của động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ
Mô-men xoắn của động cơ được tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng (RMS) chạy trong cuộn dây stator Dòng điện hiệu dụng càng cao, mô-men xoắn sinh ra càng lớn, cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa RMS dòng điện và hiệu suất sản xuất mô-men của động cơ.
Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hiệu dụng (RMS) chạy trong cuộn dây stator và dùng giá trị đo được làm nguồn phản hồi để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian thực, nhằm đáp ứng yêu cầu mô-men xoắn của ứng dụng Thiết kế này tối ưu hóa hiệu suất và sự ổn định của hệ thống bằng cách liên tục kiểm soát dòng điện, giúp động cơ phản ứng nhanh và chính xác với các biến đổi tải và tốc độ.
Mạch vòng dòng điện đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men
Trong ví dụ sau, bộ điều khiển gửi đi 32 xung để điều khiển vị trí động cơ
Bộ mã hóa xung vòng quay gửi tín hiệu phản hồi vị trí của động cơ, cho phép hệ thống xác định sai số so với vị trí mục tiêu Sai số nhận được sẽ được dùng để điều chỉnh động cơ về đúng vị trí mong đợi, từ đó nâng cao độ chính xác và ổn định của quá trình điều khiển.
Quán tính khiến động cơ vượt quá vị trí chuẩn một chút, và sai số vị trí này được dùng làm tín hiệu để điều chỉnh động cơ quay về vị trí đúng Trong hệ thống điều khiển đóng kín, việc tận dụng sai lệch vị trí giúp vòng phản hồi hoạt động hiệu quả và cải thiện độ chính xác, ổn định ở vị trí mong muốn Bằng cách đo sự lệch so với vị trí chuẩn, hệ thống có thể tự động hiệu chỉnh động cơ để đạt được vị trí đúng một cách nhanh chóng và bền vững Vì vậy, sai số vị trí nhỏ đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển động cơ và cân bằng của hệ thống.
* Mạch vòng điều khiển vị trí.( Position Loop )
Hình 2.6 Mạch vòng điều khiển vị trí động cơ
Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ servo, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của thiết bị được truyền động bởi động cơ servo, phục vụ cho điều khiển và định vị chính xác trong hệ thống tự động.
Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ mã hóa vòng quay (encoder) của động cơ sẽ gửi phản hồi về vị trí thực tế của trục đến bộ điều khiển servo hoặc có thể truyền tín hiệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động, giúp hệ thống điều khiển điều chỉnh chính xác vị trí và đồng bộ mô-men, tốc độ và vòng quay của động cơ.
Mạch vòng vị trí thực hiện việc so sánh giữa vị trí đặt mong muốn và vị trí thực tế; dựa trên sai số nhận được và các tham số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay của động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí.
Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên khó di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạtđược vị trí mong muốn bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động.
CHỨC NĂNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO
Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này
Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo
Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:
Truyền thông hiệu quả giữa bộ điều khiển chuyển động và các cảm biến là nền tảng cho hệ thống tự động chính xác Bộ mã hóa xung vòng quay cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ một cách trực quan và đáng tin cậy, cho phép đọc dữ liệu nhanh chóng từ các thiết bị quay Dữ liệu phản hồi này được sử dụng để điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín, giúp tối ưu hóa đáp ứng, giảm sai số và tăng ổn định cho toàn bộ hệ thống Quá trình đồng bộ giữa truyền thông, phản hồi và điều khiển giúp duy trì vị trí, vận tốc và lực đẩy đúng mục tiêu, ngay cả khi tải hoặc điều kiện làm việc thay đổi Vì vậy, hệ thống điều khiển kín với phản hồi từ mã hóa xung vòng quay mang lại hiệu quả vận hành cao và an toàn cho máy móc.
Xử lý tín hiệu vào/ra là quá trình quản lý các tín hiệu từ và đến hệ thống, bao gồm các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra phản ánh trạng thái hoạt động của hệ thống Quá trình này đảm bảo an toàn vận hành, độ tin cậy và khả năng giám sát liên tục bằng cách lọc nhiễu cho tín hiệu đầu vào, xác thực điều kiện vận hành và điều phối tín hiệu đầu ra để phản hồi từ các thiết bị và bộ điều khiển Việc tối ưu hóa xử lý tín hiệu vào/ra giúp nhận diện sớm sự cố, cải thiện hiệu suất và dễ dàng tích hợp với các hệ thống tự động hóa khác.
ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO ĐỘNG CƠ SERVO
Bộ điều khiển điện cho động cơ servo sử dụng một chuỗi transistor công suất, cụ thể là transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT), để kiểm soát năng lượng cấp cho động cơ servo Việc ứng dụng IGBT cho phép điều chỉnh nhanh và chính xác điện áp và dòng điện vào động cơ, tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác vị trí của hệ thống servo Thiết kế này có khả năng chịu tải cao và đóng ngắt nhanh, giảm tổn thất năng lượng và tăng độ ổn định vận hành của bộ truyền động.
IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh với dòng lớn nên là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này
IGBT được điều khiển bởi các thiết bị điện tử để sinh ra các dạng điện áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha đặc thù phục vụ cho động cơ servo Việc điều khiển IGBT cho phép tạo ra tín hiệu điều khiển servo liền mạch, cải thiện đáp ứng nhanh và độ chính xác cao cho hệ thống điều khiển động cơ Thông qua mạch điều khiển, các tham số điện áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha được điều chỉnh linh hoạt, đảm bảo cung cấp nguồn động lực ổn định cho servo motor Ứng dụng của công nghệ IGBT trong điều khiển servo giúp nâng cao hiệu suất, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy của hệ thống tự động hóa.
Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường được thiết kế để đồng bộ với một loại động cơ servo cụ thể Trong khi tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng một chiều (DC), đầu ra của bộ điều khiển được chuyển đổi thành dạng sóng điện xoay chiều (AC) để điều khiển chính xác tốc độ, gia tốc và mô men của động cơ servo.
TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO
Trong hệ thống điều khiển chuyển động, dữ liệu được lưu trữ trong chương trình điều khiển đóng vai trò làm nguồn tham chiếu cho các hành động của bộ điều khiển Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ chương trình này để thực hiện một dạng chuyển động nhất định, đảm bảo đáp ứng đúng yêu cầu vận hành và tối ưu hóa hiệu suất Tín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động gửi tới bộ điều khiển động cơ servo có thể có nhiều dạng khác nhau, bao gồm các tham số về vị trí, vận tốc hoặc gia tốc, tùy thuộc vào mục tiêu điều khiển Việc nhận diện và xử lý đúng các dạng tín hiệu này là yếu tố then chốt để điều khiển chính xác động cơ servo và đảm bảo hệ thống hoạt động đồng bộ.
Điện áp một chiều dạng tương tự (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)
Gói dữ liệu truyền qua mạng
Hình 2.8: Tín hiệu điều khiển động cơ servo
PHẢN HỒI TRONG HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ SERVO
Hình 2.9: Phản hồi trong hệ thống động cơ servo
Trong chế độ mạch vòng kín, bộ điều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để thực hiện lệnh chuyển động Hệ thống sử dụng mạch phản hồi để so sánh vị trí thực tế, vận tốc và mô men của động cơ với lệnh điều khiển, từ đó xác định mọi sai số giữa các giá trị này Bộ điều khiển servo sẽ dùng những sai số đó để điều chỉnh tín hiệu điều khiển và điều khiển động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt động đáp ứng đúng yêu cầu của ứng dụng và đảm bảo hiệu suất cũng như độ ổn định của hệ thống.
Chu trình phản hồi – xác định sai số – triệt tiêu sai số được gọi là mạch vòng điều khiển kín
BỘ PHẢN HỒI MÃ HÓA XUNG VÒNG QUAY
Bộ mã hóa xung vòng quay (encoder) là thiết bị phần cứng thiết yếu trong hệ thống động cơ servo, có chức năng cung cấp phản hồi tốc độ và vị trí cho bộ điều khiển Thông qua tín hiệu xung từ encoder, hệ thống có thể đo lường chính xác vị trí và tốc độ trục, từ đó điều chỉnh moment và vị trí một cách liên tục để đạt hiệu suất tối ưu Encoder đóng vai trò then chốt trong tự động hóa và robotics, giúp tăng độ chính xác lắp ráp, cải thiện độ lặp lại và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống Các loại encoder phổ biến như encoder quang và encoder từ, cùng với các tham số như độ phân giải, biên độ và độ bền, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phản hồi và độ chính xác của điều khiển servo.
Thông thường, bộ mã hóa xung vòng quay nằm bên trong hoặc được gắn với động cơ servo Trong một số ứng dụng, bộ mã hóa xung vòng quay là thiết bị gá lắp riêng biệt với động cơ, cho phép ghi nhận các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ servo Cách gá lắp này giúp bộ mã hóa ghi nhận các tham số vận tốc, vị trí và mô-men tác động lên động cơ, từ đó hỗ trợ hiệu chuẩn và tối ưu hóa điều khiển Do đó, vị trí lắp đặt và cách gắn của bộ mã hóa xung vòng quay có tác động trực tiếp đến độ nhạy, độ chính xác và hiệu suất của hệ thống servo.
Có hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay chính:
- Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ (Incremental)
- Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối (Absolute)
Vòng điều khiển Điều khiển
Bộ khuếch đại Phản hồi
Hình 2.10 trình bày đĩa mã hóa và cho thấy cách cấu trúc vật lý của bộ mã hóa xung vòng quay quyết định định dạng tín hiệu phản hồi Cấu trúc vật lý của đĩa mã hóa ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu ngõ ra và cách thức tín hiệu phản hồi được sinh ra trong hệ thống điều khiển Bài viết so sánh các loại đĩa mã hóa, làm rõ sự khác biệt về thiết kế cơ khí, số rãnh và nguyên lý phát hiện bước quay để nhận diện vị trí, vận tốc và gia tốc Hiểu được sự khác biệt này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, cải thiện độ chính xác đo lường và chọn loại mã hóa phù hợp với từng ứng dụng.
Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ
Hình 2.11 Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ
Bộ mã hóa xung vòng quay theo tỷ lệ áp dụng nguyên lý quang học bằng một đĩa thủy tinh trong suốt in các vạch đối xứng theo đường tròn với khoảng cách đều nhau Đĩa này gắn cố định vào trục động cơ và quay cùng rotor của động cơ, từ đó sinh ra các xung tín hiệu quang khi các vạch đi qua cảm biến quang Những xung này được xử lý để xác định vận tốc quay và vị trí góc của động cơ, phục vụ cho điều khiển và điều chỉnh vòng quay một cách chính xác.
Các vạch trên đĩa được phát hiện bởi cảm biến quang điện, cho phép hệ thống ghi nhận sự thay đổi cường độ sáng trên bề mặt đĩa Đầu ra của cảm biến thay đổi mỗi khi có sự chuyển đổi từ sáng sang tối hoặc từ tối sang sáng, từ đó các vị trí và mẫu vạch được nhận diện một cách chính xác và đáng tin cậy.
Tốc độ thay đổi tỷ lệ thuận với vận tốc động cơ, và đầu ra của bộ mã hóa xung vòng quay cho ra một dải xung tỷ lệ với vận tốc động cơ Đầu ra này đôi khi được gọi là tín hiệu Pha A.
Với bộ mã hóa xung vòng quay tỉ lệ này, ta chỉ biết tốc độ của động cơ chứ chưa xác định được chiều quay Để nhận biết hướng quay của trục, cần lắp thêm một cảm biến quang thứ hai ở một khoảng cách cố định so với cảm biến đầu tiên Việc ghép nối hai cảm biến cho phép xác định đồng thời chiều quay và tốc độ, từ đó nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển động cơ.
Hình 2.12: Khi thay đổi chiều quay thì xung cũng thay đổi
Vị trí của cảm biến thứ hai được lắp sao cho sự thay đổi sáng tối làm đầu ra của cảm biến thứ hai lệch pha 90 độ so với cảm biến thứ nhất Mối quan hệ giữa hai xung này được gọi là chênh lệch pha 90 độ trên chu kỳ quay Thông qua so sánh hai dãy xung lệch pha này, ta có thể xác định được vận tốc quay và đồng thời xác định được chiều quay của hệ thống Đầu ra từ cảm biến thứ hai được gọi là tín hiệu pha B.
Trong bộ mã hóa xung vòng quay, bên cạnh tín hiệu pha A và pha B, còn có đầu ra thứ ba gọi là Pha Z Pha Z chỉ phát ra một xung cho mỗi vòng quay, và tín hiệu này được dùng để xác định vị trí gốc ban đầu hoặc vị trí tham chiếu của hệ thống.
Trong hệ thống điều khiển, bộ mã hóa xung vòng quay sử dụng xung tham chiếu như điểm bắt đầu để xác định vị trí tuyệt đối Bằng cách đếm số xung kể từ một vị trí đã biết, vị trí của cơ cấu được xác định chính xác sau mỗi lần quay hoặc khi hệ thống khởi động Xung tham chiếu giúp đồng bộ hóa mọi chu trình đo vị trí, giảm thiểu sai lệch và cải thiện độ tin cậy của quá trình điều khiển Đây là phương pháp phổ biến để lấy điểm tham chiếu nhanh chóng và ổn định trong các ứng dụng cần vị trí tuyệt đối khi vòng quay liên tục.
Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối
Đối với bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối, một đĩa trong suốt được dùng thay cho các vạch in thông thường Đĩa này được chia thành các vùng sáng và vùng tối, sắp xếp theo mã nhị phân và mỗi bit mã hóa là một vùng riêng biệt Các cảm biến quang đọc đồng thời tất cả các vùng này, cho dữ liệu đặc trưng cho từng vị trí góc của trục động cơ Dữ liệu thu được từ đĩa là duy nhất với mỗi góc quay và có thể được gửi từ bộ mã hóa bằng phương thức song song hoặc được chuyển đổi sang dữ liệu nối tiếp.
Độ phân giải góc của bộ mã hóa xung vòng quay được xác định bởi số bit trong dữ liệu mã hóa Theo lý thuyết, một bộ mã hóa 12 bit cho 4096 mức đo trên mỗi vòng quay 360 độ, đồng nghĩa mỗi mức mã đại diện cho khoảng 0,088 độ; nói cách khác, trục động cơ quay 0,088 độ sẽ tương ứng với một mã đơn vị Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ phân giải thực tế, tuy nhiên các bộ mã hóa 20 bit vẫn phổ biến và được sử dụng rộng rãi.
Một phương pháp khác để xác định vị trí tuyệt đối là kết hợp một dạng đặc biệt của bộ mã hóa xung vòng quay với bộ nhớ phần cứng và một phần mềm riêng, thay vì sử dụng đĩa mã hóa tuyệt đối đắt đỏ Cách tiếp cận này cho phép xác định vị trí một cách chính xác bằng cách xử lý tín hiệu và dữ liệu lưu trữ trong phần mềm kết hợp với bộ nhớ cứng, đồng thời giảm chi phí và tăng tính linh hoạt của hệ thống.
Encoder sử dụng các xung lũy tiến từ bộ mã hóa để tạo ra một vị trí ảo tuyệt đối trong bộ nhớ phần cứng Nhờ có pin dự phòng, bộ nhớ được duy trì liên tục ngay cả khi nguồn điện của hệ thống bị ngắt.
Cả hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối đều có thể gửi phản hồi vị trí cần thiết đến bộ điều khiển động cơ servo
Nếu quay một động cơ servo bằng một ngoại lực (ví dụ như quay bằng tay), một dòng điện sẽ được cảm ứng trong stator của động cơ!
Khi dùng một động cơ servo để nâng thiết bị công nghiệp theo phương thẳng đứng, động cơ phải vượt qua trọng lực và sinh ra mô-men xoắn lớn hơn; tuy nhiên, khi thiết bị được hạ xuống, trọng lực làm quay trục động cơ và gây ra năng lượng dư Với các chuyển động ngang, khi bộ điều khiển động cơ muốn giảm nhanh tốc độ một tải trọng nặng (phanh), quán tính của tải trọng khiến trục động cơ tiếp tục quay và năng lượng điện thừa cần được tiêu tán Năng lượng này gọi là năng lượng tái sinh, và bộ điều khiển động cơ servo được thiết kế để tiêu tán một lượng năng lượng tái sinh nhất định Nếu lượng năng lượng tái sinh vượt quá khả năng tiêu tán của bộ điều khiển, ta cần lắp thêm điện trở hãm để tiêu tán năng lượng này thành nhiệt năng.
DRIVER SERVO
Driver Servo là một bộ khuếch đại điện tử đặc biệt dùng để theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo và liên tục điều chỉnh độ lệch so với các hành vi mong đợi Driver Servo nhận tín hiệu lệnh từ hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và truyền dòng điện cho động cơ Servo để tạo ra chuyển động tỉ lệ thuận với tín hiệu lệnh; tín hiệu này thường đại diện cho vận tốc mong muốn, nhưng cũng có thể biểu thị momen hoặc vị trí mong đợi Một cảm biến gắn vào động cơ Servo báo cáo trạng thái thực tế và gửi về bộ khuếch đại, sau đó động cơ Servo so sánh trạng thái thực tế với trạng thái được chỉ định Driver Servo tiếp tục điều chỉnh tần số, điện áp hoặc độ rộng xung tới động cơ để sửa lỗi và khắc phục độ lệch so với trạng thái lệnh.
Hình 2.15: Một Driver Servo của hãng Mitsubishi
Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình đúng, động cơ Servo quay với vận tốc rất gần với tín hiệu vận tốc từ hệ thống điều khiển nhận được Các tham số như độ cứng (tương ứng với tỷ lệ thuận) và giảm chấn (tương ứng với đạo hàm) có thể được điều chỉnh để đạt hiệu suất mong muốn Mặc dù có nhiều động cơ Servo đòi hỏi Drive riêng cho từng thương hiệu hoặc kiểu động cơ, hiện nay nhiều Drive có khả năng tương thích với nhiều loại động cơ khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong tích hợp hệ thống và tối ưu hóa hiệu suất vận hành.
Dòng Servo MR-J4 thế hệ mới đứng đầu thế giới về công nghệ điều khiển servo, được xem như một kiệt tác với các tính năng vượt trội như chống rung chuyên dụng cho máy móc và autotuning thời gian thực, giúp chuyển động đạt độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh và dễ lắp đặt MR-J4 và MR-J3 có kích thước giảm khoảng 40% so với dòng MR-J2S thế hệ trước, mang lại hiệu suất vận hành gọn nhẹ và tiết kiệm không gian Để đáp ứng mọi nhu cầu và ứng dụng điều khiển, MR-J3 có hai dạng khác nhau để lựa chọn, phù hợp với từng yêu cầu hệ thống.
Dòng MR-J4-A phù hợp cho những tác vụ điều khiển thông thường về vận tốc, momen xoắn và vị trí
MR-J4-B là dòng thiết bị chuyên dụng cho các hệ điều khiển kín tổng thể và các hệ nhiều trục chuyển động nội suy, đặc biệt tối ưu cho mạng điều khiển Servo với đường truyền cable quang (fiber) Với MR-J4-B, hệ thống tự động hóa có thể đạt được độ chính xác cao, ổn định vận hành và hiệu suất tối ưu nhờ khả năng truyền tín hiệu nhanh và đồng bộ qua đường truyền quang, giảm nhiễu và tăng tính tin cậy của mạng Servo.
Các đơn vị cấu hình Plug & Play của Mitsubishi Electric được thiết kế để điều khiển chuyển động và hệ thống kiểm soát vị trí, kết nối thông qua mạng SSCNET III tốc độ cao với chu kỳ thời gian 0,44 ms Dòng servo MR-J3 với đầu ra từ 50W đến 7kW đáp ứng các yêu cầu ứng dụng tự động hóa khác nhau.
Điều khiển tốc độ cao cho lần định vị siêu ngắn; trung bình tốc độ phản ứng tần số 900Hz
Độ phân giải cao cho tính mã hóa tốc độ tối đa
Autotuning cho các thiết lập, nhanh và chính xác
Tối ưu chi phí / lợi ích tỷ lệ
Vị trí tuyệt đối bao gồm bộ mã hóa như trang bị tiêu chuẩn
Hỗ trợ các tiêu chuẩn toàn cầu.
ENCODER
Encoder là cảm biến vị trí và tốc độ quay của một trục liên kết, cho biết góc quay và vận tốc của trục tại mỗi thời điểm Nguyên lý cơ bản dựa trên một đĩa quay gắn trên trục, trên đĩa có các lỗ hoặc rãnh để tín hiệu quang chiếu qua và thu về góc quay của đĩa Khi trục quay, tín hiệu quang xuyên qua đĩa sẽ tạo ra các xung liên tục; số xung và tần số xung được ghi nhận sẽ cho biết góc quay đã qua và tốc độ quay của trục gắn encoder Encoder thường được sử dụng trong điều khiển tự động, điều khiển vị trí và đo vận tốc để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Việc lựa chọn encoder phù hợp dựa trên số xung trên mỗi vòng (pulses per revolution) và loại tín hiệu đầu ra (quang hoặc từ) giúp cải thiện độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.
Hình 2.16: Encoder dùng trong công nghiệp
PHÂN LOẠI ENCODER
Encoder thường được phân làm 2 loại:
- Encoder tuyệt đối (Absolute encoder)
- Encoder tương đối (Increamental encoder)
Encoder tuyệt đối là một loại encoder có khả năng phản hồi chính xác vị trí của trục động cơ so với điểm tham chiếu ban đầu Đĩa encoder tuyệt đối thường có nhiều rãnh với kích thước khác nhau và bố trí không đều để tín hiệu quang phát ra xuyên qua các rãnh, từ đó thu được tín hiệu vị trí nhờ phân tích kích thước và số lượng rãnh, sau đó được mã hóa sang hệ nhị phân và ngược lại qui đổi thành vị trí của trục quay.
Hình 2.17: Đĩa Encoder tuyệt đối
- Fixed slit: Khe cố định
- Binary code: Mã nhị phân
- Light emitting: Phát ra ánh sáng
Encoder tương đối là loại encoder có đĩa quay được thiết kế với nhiều rãnh có kích thước bằng nhau và phân bố đều nhau Khi tín hiệu quang truyền qua mỗi rãnh, đúng mỗi lần rãnh đi qua cảm biến là sinh ra một xung tín hiệu, cho biết trục quay đã quay được một góc nhất định Nhờ nguyên lý này, encoder tương đối cho phép đo vị trí và góc quay của trục một cách nhanh và chính xác, hỗ trợ điều khiển và giám sát chuyển động trong các hệ thống tự động hóa.
Hình 2.18: Đĩa Encoder tương đối Giải thích:
- A signal slit: Một khe tín hiệu
- Zero signal slit: Khe tín hiệu không
- Zero point signal: Tín hiệu điểm không
- 1 pulse for axis 1 rotation: 1 xung cho trục quay 1
- Output waveform: Dạng sóng đầu ra
- 2 phase + home position output: 2 pha + đầu ra vị trí nhà
Encoder tuyệt đối có ưu điểm vượt trội so với encoder tương đối ở khả năng nhớ vị trí chính xác trên vòng quay của đĩa encoder hoặc trục kết nối; khi nguồn gặp sự cố và cấp điện trở lại, encoder tuyệt đối vẫn giữ đúng vị trí, cho phép hệ thống tiếp tục công việc mà không cần quay về điểm bắt đầu Tuy nhiên, ưu điểm này đi kèm với chi phí cao hơn, đồng thời việc điều khiển trở nên phức tạp và đòi hỏi các thiết bị hỗ trợ hiện đại hơn.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO
Số xung trên mỗi vòng quay là một thiết lập rất quan trọng và bắt buộc để điều khiển servo đạt được độ chính xác mong muốn Đây là lượng xung cần thiết để động cơ servo hoàn thành một vòng quay, và giá trị này phụ thuộc vào số xung cố định trên đĩa encoder Việc tối ưu hóa số xung trên mỗi vòng quay giúp cải thiện vị trí, tăng độ lặp lại và giảm sai số trong hệ thống điều khiển Vì vậy, việc xác định đúng số xung trên mỗi vòng quay là yếu tố nền tảng cho hiệu năng của hệ thống, khi nó liên kết trực tiếp giữa đĩa encoder và bộ điều khiển.
Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay (movement amount per rotation) là tham số cài đặt cho cơ cấu cơ khí liên kết với trục động cơ, như vít me, hệ dẫn động tuyến tính (linear), bàn xoay và các cấu kiện tương tự Đơn vị đo được xác định tùy loại chuyển động: với chuyển động tịnh tiến, thường là mm; với các hệ thống xoay, là độ; hoặc có thể tính trực tiếp bằng xung cho những trường hợp đặc biệt Việc thiết lập đúng tham số này giúp tăng độ chính xác, đồng bộ hóa chuyển động và tối ưu hóa hiệu suất điều khiển của hệ thống.
Pulse output mode (Chế độ phát xung): Cài đặt phương pháp truyền tín hiệu xung lệnh và hướng quay cho phù hợp với bộ điều khiển servo được kết nối
Bảng 2.19: Nguyên lý phát xung điều khiển động cơ Servo
Chế độ Đặc điểm Hình ảnh mô tả
- Số vòng quay cũng như tốc độ quay phụ thuộc vào tín hiệu xung
- Tín hiệu quay thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay
(clock wise/ counter clock wise)
- Đối với động cơ servo, việc quay thuận nghịch không phải cố định mà người ta thường qui ước theo chiều kim đồng hồ
Ta có thể điều khiển chiều quay của servo bằng hai ngõ nhận xung, cho phép định hướng động cơ dựa trên tín hiệu đầu vào Khi ngõ A nhận xung, servo quay theo chiều kim đồng hồ, còn khi ngõ B nhận xung thì quay ngược lại, tức là chiều kim đồng hồ ngược Cách điều khiển hai ngõ nhận xung này giúp tối ưu hóa việc điều khiển vị trí và hướng quay của servo trong các ứng dụng tự động hóa và robotics.
- Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trực tiếp trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo
- Hướng quay điều khiển bợi độ lếch pha giữa 2 ngõ phát xung
- Quay thuận khi pha B trễ pha hơn so với pha
A trễ pha hơn so với pha B 90 độ
Output signal logic allows selecting between two modes: Positive logic, where the device responds to a high-level input, and Negative logic, where it responds to a low-level input This flexibility helps designers accommodate different control schemes and simplifies interfacing with various components.
Thiết lập hướng quay của động cơ servo là một yếu tố quan trọng vì động cơ thực tế không có mặc định về hướng quay Hướng quay có thể là theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, do đó bộ điều khiển servo cần được cài đặt để quay theo chiều mà giá trị vị trí báo về là dương khi quay thuận và âm khi quay nghịch Việc xác định và thiết lập đúng hướng quay giúp nhận vị trí chính xác, tăng độ ổn định trong điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của hệ servo.
Hình 2.20: Minh họa chiều quay của động cơ
Để đảm bảo an toàn và tránh hỏng hóc khi điều khiển có sai lệch, hệ thống cần được thiết lập giới hạn hành trình di chuyển tối đa Có hai cách để cài đặt giới hạn này: một là qua phần mềm và điều chỉnh tham số upper limit và lower limit trong driver servo; hai là dùng các công tắc hành trình hoặc cảm biến để giới hạn chuyển động của động cơ.
Về chức năng Home cho hệ thống (Zero Point Return), việc xác định và lưu trữ vị trí tham chiếu trước khi vận hành là yếu tố then chốt để hệ thống hoạt động ổn định Thiết lập điểm Home cho phép hệ thống quay về đúng vị trí chuẩn khi cần hồi phục hoặc tự động điều chỉnh Thông thường giá trị của điểm Home được đặt ở 0, đại diện cho điểm tham chiếu gốc của hệ thống.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI
Băng tải hay băng chuyền là một cơ chế hoặc máy có thể vận chuyển tải đơn như thùng carton, hộp, túi… hoặc số lượng lớn vật liệu như đất, bột, thực phẩm từ một điểm A đến điểm B, giúp tiết kiệm sức lao động, thời gian và tăng năng suất lao động Đây là một trong những bộ phận quan trọng của dây chuyền sản xuất và lắp ráp trong doanh nghiệp, nhà máy Việc sử dụng băng tải góp phần tạo nên môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Hình 3.1: Băng tải trong dây chuyền điều khiển và giám sát sản xuất tinh bột sắn
ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA BĂNG TẢI
- Băng tải cấu tạo đơn giản, có độ bền cao,
- Có khả năng vận chuyển vật liệu theo hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp được cả hai với khoảng các lớn
- Không gây tiếng ồn cho xung quanh, năng suất tiêu hao nhỏ
- Vận chuyển được hàng rời như cát, đá răm, than, than đá từ nơi này đến nơi khác
- Khả năng vận chuyển hàng hóa theo nhiều hướng khác nhau một cách dễ dàng và thuận tiện
- Có thể điều chỉnh độ nghiêng với khoảng cách lớn
- Các linh kiện, phụ kiện đều được đảm bảo chất lượng
- Năng suất vận hành cao, không gây tiếng ồn khi làm việc
- Số lượng vận chuyển lớn
- Không tiêu hao nhiều điện năng trong quá trình vận hành
- Dễ dàng sửa chữa, bảo trì khi gặp sự cố
* Nhược điểm của băng tải
- Động cơ làm việc không đểu, đặc biệt là ở tốc độ thấp (điều khiển đầy bước)
- Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải
- Vốn đầu tư ban đầu lớn
- Một số hệ thống khó di chuyển, không vận chuyển được các sản phẩm quá kích cỡ
- Đối với các sản phẩm hạt, vụn, có thể bị hao hụt, rơi vật liệu trong quá trình vận chuyển
- Khi vận chuyển xa và địa hình không thẳng đòi hỏi phải có nhiều hệ thống kết hợp lại với nhau
- Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số.
ỨNG DỤNG CỦA BĂNG TẢI
Có nhiều loại băng tải với đặc tính và cấu hình khác nhau được ứng dụng rộng rãi để vận chuyển hàng hóa, đóng gói sản phẩm, phân loại sản phẩm và dễ dàng tích hợp với các hệ thống kiểm tra sản phẩm tự động, máy đóng đai tự động Những giải pháp băng tải này phù hợp với nhiều ngành sản xuất như lắp ráp linh kiện và thiết bị điện tử, lắp ráp ô tô, xe máy, xe đạp điện; sản xuất thực phẩm, y tế, dược phẩm; khai thác than; may mặc và giày dép Việc triển khai băng tải giúp tối ưu quy trình sản xuất, tăng năng suất và giảm sai sót thông qua sự đồng bộ với các máy móc tự động và hệ thống quản lý sản phẩm Bên cạnh đó, các loại băng tải có thể được tùy biến về tải trọng, vận tốc, góc nghiêng và vật liệu bề mặt để phù hợp với đặc tính sản phẩm và môi trường làm việc.
Mỗi loại băng tải được sử dụng trong những trường hợp nhất định, cần tìm hiểu để lựa chọn đúng để có thể sử dụng đạt hiệu quả cao
Hình 3.2: Ứng dụng băng tải trong ngành than
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ CỦA BĂNG TẢI
3.4.1 Cấu tạo của băng tải
Thành phần cấu tạo của băng tải gồm các bộ phận chính sau:
- Động cơ giảm tốc, bộ điều khiển kiểm soát tốc độ, biến tần, sensor, timer, cảm biến, PLC,
- Bộ con lăn kéo (con lăn truyền lực chủ động) bằng thép mạ kẽm hoặc nhụm ỉ50, ỉ60, ỉ76, ỉ89, ỉ102
- Hệ thống dây băng, con lăn đỡ bằng thép mạ kẽm hoặc inox ỉ25, ỉ32, ỉ38
- Bộ truyền động xích hoặc đai
- Hệ thống khung băng tải thường được làm bằng nhôm định hình, thép sơn tĩnh điện hoặc Inox.( khung, chân, thành chắn)
Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng của băng tải, còn có thêm một số bộ phận phụ trợ khác Tất cả các bộ phận này được thiết kế hợp lý, khoa học và tối ưu để mang lại hiệu quả cao trong quá trình vận chuyển và nâng cao năng suất của hệ thống.
Hình 3.3: Cấu tạo của băng tải
3.4.2 Nguyên lý hoạt động của băng tải
Trong hệ thống băng tải, rulô chủ động quay và tạo ra lực ma sát giữa rulô và dây băng, khiến băng tải chuyển động Khi dây băng gầu bị trùng, ta điều chỉnh rulô bị động để căng dây băng, từ đó tăng lực ma sát giữa dây băng và rulô chủ động và đẩy băng tải di chuyển theo quỹ đạo mong muốn Lực ma sát này đảm bảo sự liên tục của quá trình vận chuyển, giúp các vật liệu rơi lên trên bề mặt dây băng được đẩy đi và di chuyển nhờ hoạt động của băng tải, nhờ đó tối ưu hóa hiệu quả vận chuyển và xử lý vật liệu trong hệ thống.
3.4.3 Thông số của băng tải
- Vật liệu cấu thành băng tải
- Kích thước của băng tải
- Tốc độ quay băng tải
- Khả năng tải của băng tải
PHÂN LOẠI BĂNG TẢI
Băng tải có nhiều kiểu dáng và có nhiều chức năng khác nhau vì thế được phân loại như sau:
3.5.1 Phân loại theo phương chuyển động
Loại băng tải này được ứng dụng để vận chuyển các nguyên liệu trong ngành xây dựng, than đá và các sản phẩm đóng gói Cấu tạo của nó là băng tải đai vải, với chân có thể nâng lên hạ xuống để tạo độ dốc nghiêng hoặc cố định ở vị trí nhất định Tuy nhiên, độ dốc tối đa khi cố định phải nhỏ hơn góc ma sát giữa vật liệu và băng tải từ 7–10 độ.
Hình 3.4: Băng tải theo phương ngang
Dùng vận chuyển sản phẩm trên cao đã đóng gói đóng thùng hoặc vận chuyển các sản phẩm dạng rời như than đá,sỏi…
Hình 3.5: Băng tải theo phương nghiêng
Băng tải loại này được dùng để vận chuyển các kiện hoặc khối nhỏ lên cao, thường thực hiện từ trên xuống hoặc từ dưới lên Về hình dáng bên ngoài, nó giống với băng gầu, nhưng ưu điểm nổi bật là không tốn nhiều diện tích tại khu vực vận hành, giúp tối ưu mặt bằng và tăng hiệu suất của dây chuyền sản xuất.
Hình 3.6: Băng tải theo phương thẳng đứng
Băng tải xoắn là loại băng tải được thiết kế để vận chuyển những kiện hàng nhỏ vừa, có hình dạng như con ốc xoắn Thiết bị cho phép vận chuyển hàng từ dưới lên trên và ngược lại, nhờ cơ chế xoắn hỗ trợ di chuyển theo hai chiều Một ưu điểm nổi bật của băng tải xoắn là không tốn diện tích nơi vận hành, giúp tối ưu không gian làm việc mà vẫn đảm bảo hiệu suất vận chuyển.
3.5.2 Phân loại theo kết cấu
Băng tải loại này sử dụng trong dây chuyền sản xuất có tính liên tục và đặt cố định trong dây chuyền
Băng tải di động được dùng trong dây chuyền sản xuất không liên tục hoặc không cố định; nhịp vận hành có đều hay không đều cũng không ảnh hưởng đến quy trình nhờ tính linh hoạt của hệ thống Kết cấu của băng tải di động tương tự băng tải cố định, nhưng khác ở chỗ có bộ phận di động gắn ở dưới chân đế, cho phép di chuyển và điều chỉnh vị trí trên dây chuyền một cách thuận tiện mà không làm gián đoạn quá trình.
3.5.3 Phân loại theo công dụng
Có nhiệu loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện và tính chất làm việc khác nhau
Hệ thống băng chuyền bằng băng tải cao su là hệ thống vận chuyển nguyên liệu cho hiệu quả kinh tế cao nhất so với các hệ thống cùng chức năng Với thiết kế bền bỉ, vận hành ổn định và chi phí vận hành tối ưu, băng tải cao su mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội cho doanh nghiệp Hệ thống có thể được lắp đặt linh hoạt ở mọi địa hình và mọi khoảng cách, đáp ứng mọi nhu cầu vận chuyển nguyên liệu của quy trình sản xuất.
Hình 3.7: Băng tải cao su
Băng tải xích được sử dụng chủ yếu để vận chuyển tải nặng như tấm nâng hàng, hộp lưới điện và các đồ chứa công nghiệp Các hệ thống băng tải xích có thể được cấu hình với một hoặc hai dây chuyền, tải được đặt trên các dây chuyền và ma sát kéo tải phía trước Nhiều ngành công nghiệp áp dụng công nghệ băng tải xích trong chu trình sản xuất của họ Ngành công nghiệp ô tô thường sử dụng các hệ thống băng tải xích để truyền tải phụ tùng xe hơi qua các nhà máy sơn Xích băng tải cũng được sử dụng rộng rãi trong hàng hóa trắng và nâu, hoàn tất kim loại và các ngành công nghiệp phân phối.
Băng tải con lăn là hệ thống băng tải gồm các con lăn được bố trí trên các giá dựng đứng, thiết kế để lưu trữ và vận chuyển hàng hóa trong kho Hệ thống này thường được lắp đặt trong kho chứa các hộp sản phẩm, giúp sắp xếp và di chuyển thùng hàng một cách nhịp nhàng, an toàn và hiệu quả Nhờ cấu trúc giá con lăn, băng tải con lăn thuận tiện cho việc đặt và bỏ các thùng hàng, nâng cao năng suất làm việc và giảm thời gian xử lý Phù hợp với kho hàng quy mô vừa và lớn, hệ thống này tối ưu hóa không gian lưu trữ và cải thiện luồng hàng ở quá trình nhập xuất.
Băng tải con lăn có các loại để bạn lựa chọn như:
- Băng tải con lăn nhựa
- Băng tải con lăn nhựa PVC
- Băng tải con lăn thép mạ kẽm
- Băng tải con lăn truyền động bằng motor
Hình 3.9: Băng tải con lăn
Băng tải đứng, còn được gọi là thang máy vận chuyển hàng hóa, là hệ thống băng tải được thiết kế để nâng lên hoặc hạ xuống vật liệu giữa các mức khác nhau của một cơ sở trong quá trình xử lý và vận hành Hệ thống này giúp di chuyển hàng hóa một cách an toàn và liên tục giữa các tầng, tối ưu hóa không gian kho và tăng hiệu suất làm việc Băng tải đứng phù hợp cho các quá trình xử lý hàng hóa có khối lượng vừa và lớn, giảm thiểu lao động thủ công và đáp ứng nhu cầu vận chuyển nhanh chóng giữa các khu vực trong nhà xưởng hoặc kho bãi.
Băng tải xoắn ốc có khả năng vận chuyển vật liệu liên tục trong một dòng chảy, đáp ứng yêu cầu sản xuất cao của các ngành như thực phẩm và nước giải khát, đóng gói bán lẻ và dược phẩm Các hệ thống này thường được tích hợp với hệ thống băng tải dọc để tăng hiệu quả và thuận tiện trong quy trình vận hành Thông số thiết kế phổ biến là góc nghiêng thấp, thường ở 11 độ hoặc thấp hơn, nhằm ngăn chặn hiện tượng trượt và đảo ngược vật liệu trong quá trình vận hành.
Các băng tải linh hoạt dựa trên khung băng tải bằng nhôm hoặc thép không gỉ, được trang bị đường ray trượt ma sát thấp và hướng dẫn một chuỗi nhựa đa cong, cho phép cấu hình linh hoạt theo nhiều góc độ và hướng đi khác nhau Sản phẩm có thể được chuyển trực tiếp trên băng tải hoặc trên tấm nâng hàng của nhà cung cấp, tối ưu hóa quá trình vận chuyển giữa các khu vực sản xuất Những hệ thống băng tải này có khả năng làm việc quanh chướng ngại vật và duy trì dòng chảy liên tục của dây chuyền sản xuất Ứng dụng phổ biến gồm bao bì thực phẩm, đóng gói hồ sơ và các ngành công nghiệp dược phẩm.
Hình 3.11: Băng tải linh hoạt
Băng tải rung là một loại máy có bề mặt vận chuyển bằng phẳng được rung động lên từ một bên để hình thành một máng và di chuyển vật liệu liên tục Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thực phẩm cấp, nơi vệ sinh và bảo trì thấp là rất quan trọng, đồng thời phù hợp với môi trường khắc nghiệt, có thể chịu nhiệt độ cao, bụi bẩn và ăn mòn Với độ bền cao, hiệu suất ổn định và dễ vệ sinh, băng tải rung là giải pháp lý tưởng cho các dây chuyền sản xuất đòi hỏi vệ sinh nghiêm ngặt và vận hành liên tục.
Một hệ thống khí nén sử dụng các ống dẫn (đường ống vận chuyển) để mang vật liệu và một luồng khí nén Vật liệu vận chuyển có thể ở dạng rời hoặc ở dạng hạt nhẹ và có thể được nghiền thành bột khô, điển hình như xi măng hoặc tro bay.
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM CHO ĐỘNG CƠ SERVO
NHỮNG TRANG THIẾT BỊ CẦN CÓ ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Hình 4.1: Động cơ servo kéo băng tải
* Thông số kỹ thuật chính cần lưu ý:
2 Điện áp nguồn vào: 1 pha 170-250VAC, 50/60Hz
3 Điện áp ngõ ra: 3 pha 220 VAC
4 Tần số ngõ ra : 0-250 Hz
5 Độ phân giải Encoder: 2500 ppr/ 10,000 ppr
6 Chế độ điều khiển: Tốc độ, Lực, Vị trí
7 Phương pháp điều khiển: SVPWM
8 Tự động dò tìm tham số động cơ: Có hỗ trợ chế độ dò bằng tay
9 Tốc độ xung ngõ vào tối đa: 500 kpps ( Line Driver ) và 200 kpps ( Open Collector)
10 Kiểu xung: Xung + Chiều, Pha A + Pha B, Xung CCW + CW
12 Điện áp ngõ vào: 0 ~ + - 10VDC
13 Hằng số thời gian: 2.2 Micro giây
14 Độ phân giải tốc độ: 1:5000
15 Bảo vệ Quá tải: 200% Dòng định mức của AC Servo trong 8 giây
16 Ngõ vào số: Servo ON, Reset, Gain Switching, Pulse Clear, Dừng khẩn cấp, giới hạn Tốc độ, Lực
17 Ngõ ra số: Encoder A, B, Z Line Driver/ Z Open
Collector, Servo Ready, Servo ON, Zero Speed, Speed Reached, Position Completed, Servo Alarm, Brake, Home Completed
18 Bảo vệ: Quá dòng, quá áp, thấp áp, Quá nhiệt động cơ, Quá tải, Vượt tốc, Lỗi bộ nhớ, Lỗi Encoder, Lỗi truyền thông, v.v
Trong nhà, tránh ánh sáng trực tiếp Độ cao không quá 1000 m so với mực nước Biển Áp suất: 86 kPA đến 106 kPA
Nhiệt độ làm việc tại môi trường: 0- 55 độ C
Nhiệt độ bảo quản: -20 ~ 65 độ C Độ ẩm: 0 ~ 90%
Bộ điều khiển (drive) Phức tạp, phải mua nguyên bộ từ nhà sản xuất
Tốc độ Tốc độ cao (tối đa 3000-5000 rpm)
Chế độ điều khiển Tốc độ, vị trí, mô-men
Hiện tượng trượt bước gây sai lệch trong điều khiển Ít xảy ra Động cơ vẫn chạy êm khi tải đặt vào tăng
Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng kín
Nhiễu và rung động Rất ít
Giá thành Khá cao Độ bền Thiết bị phức tạp và phải bảo dưỡng định kỳ Độ phân giải Rất cao, lên đến 23 bit (phụ thuộc vào encoder)
4.1.2 Bộ điều khiển Drive Servo
Hình 4.3: Mã tham số Drive của động cơ servo
- MODEL: CSDJ _ 01BX2 Input Voltage: 220 ~ 240Vac 1PH 50/60Hz 0.24kVA Output Power: 0 ~ 230Vac 3PH MAX 100W IP20 POLLUTION DEGREE II MASS: 0.9Kg PRG: V2.0 ER.NO: 3XCSDJ001A – F60142
Hình 4.4: Giá đỡ băng tải
Hình 4.5: Giá đỡ băng tải
Hình 4.6 Cáp USB 2.0 to COM DB9 RS232 1.5M
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
Hình 4.7: Mô hình thực nghiệm
Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm
4.3 CHƯƠNG TRÌNH SMARTJOG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DRIVE SERVO
* Khởi động chương trình SmaretJog
* Kết nối máy tính với Drive bằng cáp chuyên dụng sau đó click vào biểu tượng
* Chọn cổng đã kết nối giữa máy tính với Drive:
* Lúc này giá trị Baud Rate (Tốc độ truyền) xuất hiện 9600
* Sau đó click vào OK tiêp chọn đến NEW hoặc biểu tượng
* Chọn Select Servo Model xuất hiện click vào CSDJ Plus Series
* Nhấn vào Connect để kết nối với Drive
* Sau khi kết nối được Drive thì ta click Jog ở cuối
- Màn hình sẽ hiện lên các chức năng trên
- Chức năng điều khiển số vòng quay của động cơ
- Điều khiển quay thuận hay quay ngược
- Nhấn vào Tesr Run để cho động cơ chạy
4.4 MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM TRÊN MATLAB SIMULINK
Sơ đồ khối điều khiển động cơ Servo với Arduino và Matlab
Khởi tạo các khối chức năng PWM,LCD,TIMER…
Khởi tạo các giá trị ban đầu
Cập nhật dữ liệu từ ADC CPU Tính toán thuật toán PID
Xử lý truyền thống CPU ADC START ?
* Chương trình điều khiển đông cơ Servo
* Chọn simulink trên thanh công cụ:
* Tại giao diện simulink chọn New để tạo sơ đồ:
* Chọn vào các khối để lấy các khối ra tùy mục đích sử dụng:
* Sẽ xuất hiện một giao diện mới :
* Tại giao diện này ta chọn Library Brower trên thanh công cụ hoặc biểu tượng
* Sẽ xuất hiện các khối với các mục đích sử dụng khác nhau thư viện simulink
* Sau khi ta chọn được các khối cần sử dụng ta sẽ có được sơ đồ cơ bản như sau:
* Ghép các khối lại với nhau ta có sơ đồ mô phỏng như sau:
* Giải thích một số khối trong sơ đồ:
- Stator curent: Dòng điện Stator
- Rotor speed: Tốc độ rotor
- Electronmagnetic torque: Momen xoắn điện từ
- DC bus voltage: Điện áp DC
- Scope: Hiển thị Trong khối nguồn ta chọn các tham số như sau :
Trong khối động cơ servo PM Synchronous Motor Drive, các tham số cơ bản bao gồm công suất P = 1,5 kW, Rs = 0,2 Ω, Ld = Lq = 8,5×10^-3 H, từ thông Φ = 0,175 Wb, điện áp phần ứng định mức 220 V, điện áp kích từ định mức 200 V và số đôi cực p = 4.
Mô men quán tính J =1,5.10 -4 Kgm2, dòng điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 3000 vòng/phút, encoder có độ phân giải cao 1000 xung/vòng; thời gian trích mẫu t = 10 -3
Các thông số để điều chỉnh cho động cơ servo :
Nhấn nút khởi động để mô hình chạy :
Nhấn vào khối scope để hiện thị đồ thị của các dòng :
Kết quả mô phỏng của hệ truyền động sử dụng động cơ Servo trong matlab như sau:
Từ kết quả mô phỏng như trên ta có nhận xét:
Quá trình khởi động của động cơ servo diễn ra trong thời gian ngắn, từ giá trị ban đầu đến khi tại 0,3 giây giá trị dòng điện tăng đột biến trước khi động cơ vào chế độ làm việc ổn định ở chế độ đồng bộ Khi vào đồng bộ, tốc độ của động cơ đạt đến tốc độ đồng bộ mong muốn, đảm bảo hiệu suất điều khiển chính xác và đáp ứng nhanh cho các ứng dụng tự động hóa.
Ở tần số 300 rad/s, giá trị đặt luôn bám sát giá trị đáp ứng, lượng ra bám sát lượng vào trong quá trình cân bằng Đáp ứng của hệ thống truyền động cho thấy hoạt động làm việc ổn định.
4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đối với mô hình sau khi nhóm thi đã thi công nhận thấy các hướng phát triển như sau:
Tăng số lượng động cơ có thể đồng bộ nhiều băng tải với nhau
Áp dụng các dạng chuyển động phức tạp để đồng bộ ví dụ như chuyển động nội suy cung tròn
Sử dụng các mạch điều khiển với onchip mới và nhiều tính năng điều khiển tốt hơn và Drive cùng với động cơ có công suất lớn hơn
Tiến hành ứng dụng để giải quyết các bài toán đòi hỏi chuyển động đồng bộ Xây dựng, thiết kế hệ thống ứng dụng trong công nghiệp
Sau một khoảng thời gian ngắn thực hiện đề tài tốt nghiệp, nhờ sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè và cả lớp, em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình Trong quá trình thực hiện, em đã tìm hiểu kỹ lưỡng và thực hiện đầy đủ các yêu cầu mà đề tài đặt ra, đạt được những kết quả có ý nghĩa và đóng góp cho lĩnh vực nghiên cứu.
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều không chổi than
- Đưa ra mô hình toán và phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than
- Tìm hiểu phương pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động điện và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than
Do thời gian hạn chế và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, đề tài thực hiện còn nhiều sai sót Em mong nhận được sự chỉ bảo, sửa chữa và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn trong lớp để có thể triển khai và hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Đức Chuyển vì sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài Em cũng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa đã dành thời gian chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm quý báu, cùng sự động viên của các bạn bè trong lớp đã luôn đồng hành và giúp đỡ em vượt qua những thử thách Những đóng góp ấy đã giúp đề tài hoàn thiện và đạt được kết quả như mong đợi.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, ngày tháng năm 2021
MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM TRÊN MATLAB SIMULINK
Sơ đồ khối điều khiển động cơ Servo với Arduino và Matlab
Khởi tạo các khối chức năng PWM,LCD,TIMER…
Khởi tạo các giá trị ban đầu
Cập nhật dữ liệu từ ADC CPU Tính toán thuật toán PID
Xử lý truyền thống CPU ADC START ?
* Chương trình điều khiển đông cơ Servo
* Chọn simulink trên thanh công cụ:
* Tại giao diện simulink chọn New để tạo sơ đồ:
* Chọn vào các khối để lấy các khối ra tùy mục đích sử dụng:
* Sẽ xuất hiện một giao diện mới :
* Tại giao diện này ta chọn Library Brower trên thanh công cụ hoặc biểu tượng
* Sẽ xuất hiện các khối với các mục đích sử dụng khác nhau thư viện simulink
* Sau khi ta chọn được các khối cần sử dụng ta sẽ có được sơ đồ cơ bản như sau:
* Ghép các khối lại với nhau ta có sơ đồ mô phỏng như sau:
* Giải thích một số khối trong sơ đồ:
- Stator curent: Dòng điện Stator
- Rotor speed: Tốc độ rotor
- Electronmagnetic torque: Momen xoắn điện từ
- DC bus voltage: Điện áp DC
- Scope: Hiển thị Trong khối nguồn ta chọn các tham số như sau :
Trong khối động cơ servo PM Synchronous Motor Drive, các tham số làm việc được xác định như sau: công suất P = 1,5 kW; điện trở phần ứng Rs = 0,2 Ω; độ tự cảm Ld = Lq = 8,5×10^-3 H; từ thông φ = 0,175 Wb; điện áp phần ứng định mức 220 V; điện áp kích từ định mức 200 V; số đôi cực p = 4 Những tham số này ảnh hưởng đến mô hình hóa và điều khiển hệ servo, nhằm tối ưu hiệu suất và đáp ứng động cơ trong ứng dụng truyền động.
Mô men quán tính J =1,5.10 -4 Kgm2, dòng điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 3000 vòng/phút, encoder có độ phân giải cao 1000 xung/vòng; thời gian trích mẫu t = 10 -3
Các thông số để điều chỉnh cho động cơ servo :
Nhấn nút khởi động để mô hình chạy :
Nhấn vào khối scope để hiện thị đồ thị của các dòng :
Kết quả mô phỏng của hệ truyền động sử dụng động cơ Servo trong matlab như sau:
Từ kết quả mô phỏng như trên ta có nhận xét:
Quá trình khởi động của động cơ servo bắt đầu từ giá trị ban đầu và diễn ra trong thời gian ngắn cho tới mốc 0,3 giây, khi giá trị dòng điện tăng đột biến để đẩy động cơ vào trạng thái làm việc ổn định (đồng bộ) Sau khi động cơ đạt chế độ đồng bộ, tốc độ quay sẽ lên và đạt đến tốc độ mục tiêu, đảm bảo vận hành chính xác và ổn định trong hệ thống.
300 rad/s, giá trị đặt luôn bám sát giá trị đáp ứng, lượng ra bám sát lượng vào ở quá trình cân bằng, đáp ứng của hệ thống truyền động là làm việc ổn định.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đối với mô hình sau khi nhóm thi đã thi công nhận thấy các hướng phát triển như sau:
Tăng số lượng động cơ có thể đồng bộ nhiều băng tải với nhau
Áp dụng các dạng chuyển động phức tạp để đồng bộ ví dụ như chuyển động nội suy cung tròn
Sử dụng các mạch điều khiển với onchip mới và nhiều tính năng điều khiển tốt hơn và Drive cùng với động cơ có công suất lớn hơn
Tiến hành ứng dụng để giải quyết các bài toán đòi hỏi chuyển động đồng bộ Xây dựng, thiết kế hệ thống ứng dụng trong công nghiệp
Sau một khoảng thời gian ngắn thực hiện đề tài tốt nghiệp, cùng với nỗ lực cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè cùng lớp, đến nay em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình Trong đề tài của mình em đã tìm hiểu và thực hiện được các yêu cầu sau:
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều không chổi than
- Đưa ra mô hình toán và phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than
- Tìm hiểu phương pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động điện và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than
Tuy nhiên do thời gian có hạn và cũng như trình độ của bản thân còn nhiều hạn chế nên đề tài thực hiện còn nhiều sai sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn trong lớp để em có thể thực hiện và hoàn thành đề tài được tốt hơn
Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Đức Chuyển về sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình, cùng các thầy cô trong khoa và các bạn bè trong lớp đã đồng hành, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài; sự hỗ trợ ấy không chỉ làm rõ các vấn đề chuyên môn mà còn động viên em vượt qua khó khăn, góp phần làm nên kết quả nghiên cứu của em.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, ngày tháng năm 2021