Bài giảng Hệ thống truyền động servo

Microsoft PowerPoint BG HTTDServo GuiThuVien 4/18/2023 1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử  Chương 1 Tổng quan về hệ thống truyền động servo [.]

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

KHOA CƠ KHÍ

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền

động servo.

 Chương 2: Động cơ DC Servo

Nội dung bài giảng

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo

 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

 1.3 Ứng dụng của hệ thống truyền động

servo

Chương 1: Tổng quan về hệ thống

truyền động servo

o Hệ truyền động servo (Servo Drive System) là hệ thống điều

khiển chuyển động (vị trí, tốc độ, dòng diện) của kết cấu cơ khí

theo kiểu điều khiển vòng kín (Closed – loop feedback)

o Hệ truyền động servo thường được sử dụng trong các ứng

dụng chuyển động được điều khiển với độ chính xác cao, đặc

biệt là trong các hệ thống yêu cầu phản hồi nhanh và có độ tin

cậy lớn với các tín hiệu đặt và lệnh điều khiển

1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo

o Hệ truyền động servo thường được có các loại sau:

 Thủy lực (Hydraulic)

 Khí nén (Pneumatic)

 Điện cơ(Electromechanical)

o Học phần sẽ đề cập chủ yếu đến truyền động servo theo kiểu

điện cơ (sử dụng động cơ điện), đây đồng thời cũng là cách

sử dụng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển chuyển động

chính xác trong công nghiệp bởi sự tiện lợi và phổ biến của các

động cơ loại này

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Các động cơ servo phổ biến:

 DC Servo(Direct Current Motor)

 AC Servo(Alternating Current Motor)

 Hybrid Servo(Step Motor)

o Chú ý: bên cạnh các servo kể trên, còn có một loại servo khá

thông dụng là RC Servo (Radio Control Servo) hay được sử

1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo

o Một số yêu cầu đối với hệ truyền động servo:

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

Cấu trúc của các hệ truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Một số thành phần của động cơ servo

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

Motion module của

hãng Mitsubishi

Card PCI Express/PCI (Motion Control Boards)

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

Cấu trúc điều khiển trong hệ truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển chính đến driver động cơ

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

o Driver và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế

độ điều khiển vòng kín

o Tín hiệu phản hồi về từ động cơ bao gồm: vị trí, vận tốc,

moment của động cơ servo được so sánh với giá trị đặt trước

và từ đó xác định được sai lệch điều khiển

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo

o Các mạch vòng điều khiển thường bao gồm ba mạch vòng sau:

 Mạch vòng điều khiển dòng điện

 Mạch vòng điều khiển tốc độ

 Mạch vòng điều khiển vị trí

o Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba

dạng mạch vòng điều khiển vừa nêu Nhiều ứng dụng chỉ gồm

có mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ dùng cho điều

khiển tốc độ Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạch vòng điều

khiển để điều khiển vị trí

o Các ứng dụng phổ biến của hệ truyền động servo trong công

nghiệp:

 Ứng dụng trong điều khiển robot

 Hệ thống máy CNC

 Các dây chuyền tự động hóa:

• Máy may khẩu trang

• Hệ thống lưu kho tự động

• Hệ thống dao cắt bay, cắt quay

• Hệ thống máy cắt túi nilon

• Hệ thống máy đóng gói, …

1.3 Ứng dụng của hệ thống

truyền động servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Ứng dụng trong việc điều khiển các khớp của robot công nghiệp

 2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

 2.2 Điều khiển động cơ DC Servo

 2.3 Mô phỏng động cơ DC Servo

Chương 2: Động cơ DC Servo

o Động cơ DC Servo có các thành phần chủ yếu sau:

 Thành phần động cơ: ở đây sử dụng động cơ một chiều DC

 Thành phần hồi tiếp – encoder

o Bên cạnh đó, động cơ DC Servo thường được gắn thêm hộp

số để có thể tăng được moment trục động cơ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

Động Cơ DC Servo

JGB37-545 Động Cơ DC Servo JGY370High Torque Self-Lock DC

Geared Motor

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1.1 Encoder

o Theo công nghệ, có các loại encoder:

 Magnetic (loại từ trường)

 Mechanical (loại cơ khí)

 Resistive (loại điện trở)

 Optical (loại quang)

o Theo nguyên lý hoạt động, encoder được chia làm hai loại

chính:

 Encoder tương đối (Incremental Encoder)

 Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1 Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1 Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Một số tín hiệu hay được sử dụng để xác định tốc độ động cơ:

 Tín hiệu xung ở mức thấp 0( )

 Tín hiệu xung ở mức cao 5( )

 Tín hiệu sườn lên của xung

 Tín hiệu sườn xuống của xung

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.1 Encoder

o Encoder tương đối – Incremetal Encoder

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1.2 Động cơ một chiều

o Động cơ điện một chiều có 2 thành phần chính là stato (phần

cảm) và roto( phần ứng)

Mặt cắt dọc trục và ngang trục động cơ một chiều

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2 Động cơ một chiều

o Phần cảm stato:

 Có tác dụng tạo ra từ trường

 Được làm bằng thép đúc vừa đề dẫn từ vừa làm vỏ máy

 Gồm cực từ chính và cực từ phụ kết hợp với dây quấn kích

từ được gắn chặt vào thân máy nhờ bu lông

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2 Động cơ một chiều

o Phần ứng roto:

 Tạo ra chuyển động quay

 Bao gồm lõi sắt, dây quấn phần ứng, chổi than và cổ góp

 Dây quấn phần ứng được kết nối với mạch điện ngoài thông

qua chổi than và cổ góp

2.1 Cấu tạo động cơ DC Servo

2.1.2 Động cơ một chiều

o Một số bộ phận khác:

 Cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy

 Trục máy, trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cành

quạt, thường được làm bằng thép cacbon

 Ổ bi

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.1.2 Động cơ một chiều

o Phân loại động cơ một chiều:

Động cơ một chiều được phận chia theo phương pháp kích từ:

 Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

= 2 =

o Mô hình hóa động cơ DC

Phương trình mạch vòng điện áp phần ứng động cơ DC:

= + ư ư+ ư× ư

=Phương trình cân bằng momen trên trục động cơ:

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.2 Điều khiển động cơ DC Servo

o Mô hình hóa động cơ DC

2.2 Điều khiển động cơ DC Servo

Trong đó:

 ư= ư⁄ - hằng số điện từ của động cơư

 = ⁄ - hằng số cơ của hệ thống

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

U, I

Mạch driver Bộ biến đổi(Mạch lực)

Nguồn

+ _motorDC

Mạch lọc

Đo dòng, áp

Encoder Mạch lọc

+

-+ -

Ꙍ *

Ꙍ

U*, i*

U,I Khâu giới hạn

o Mô hình động cơ DC Servo trong phần này được xây dựng trên

toolbox Simulink của phần mềm MATLAB

o Do động cơ DC Servo được xây dựng trên nền tảng là động cơ

một chiều DC nên phần này sẽ tập trung vào phần mô phỏng

hoạt động và các bài toán điều khiển cơ bản cho động cơ,

2.3 Mô phỏng động cơ DC Servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2.3 Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC

Mạch vòng điều khiển tốc độ: Động cơ được mô phỏng với bộ

thông số sau:

 ư = 0.5 Ω ; ư = 0.1; = 5; = 0.01; = 200

 = 1.6; ư = ư⁄ ư ; = ⁄

2.3 Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC

Mạch vòng điều khiển tốc độ: Trường hợp = 0

Tại tốc độ đặt bằng

=

800

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC

Mạch vòng điều khiển vị trí: Động cơ được mô phỏng với bộ

thông số sau:

 ư = 0.5 Ω ; ư = 0.1; = 5; = 0.01; = 200

 = 1.6; ư = ư⁄ ư ; = ⁄

2.3 Mô phỏng động cơ DC Servo

o Mô phỏng điều khiển động cơ DC

Mạch vòng điều khiển vị trí

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

 3.1 Động cơ không đồng bộ

 3.2 Động cơ đồng bộ

 3.3 So sánh động cơ AC Servo và DC

Servo

Chương 3: Động cơ AC Servo

o Động cơ không đồng bộ (Induction Motor/ Asynchronous Motor)

thuộc nhóm máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm

ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của rotorkhácvới tốc độ của

từ trường quay trong máy

o Hiện nay rất nhiều động cơ dung trong công nghiệp, nông

nghiệp, lâm nghiệp,… đều là động cơ không đồng bộ bởi loại

động cơ này có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ và

chi phí bảo trì thấp

3.1 Động cơ không đồng bộ

• Vỏ máy, nắp máy và trục máy.

• Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối

trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Stator

 Dây quấn stator:

• Được chế tạo bằng dây điện từ (đồng/nhôm) và đã được

bọc cách điện

• Được quấn thành các bối dây đặt vào rãnh của mạch từ

• Trước khi đặt các bối dây, các rãnh được lót thêm các lớp

cách điện để tránh tiếp xúc giữa các phần từ dẫn điện và

• Được chế tạo bằng thép kỹ thuật điện, gồm nhiều lá mỏng

ghép lại với nhau

• Trên các lá thép có xẻ rãnh đặt dây quấn nhưng được đặt

ở bên ngoài

• Ở giữa có lỗ để gắn trục động cơ

3.1 Động cơ không đồng bộ

3.1.2 Nguyên lý hoạt động

 Khi ta cấp dòng điện 3 pha tần số vào 3 dây quấn stator

sẽ tạo ra từ trường quay có đôi cực từ, quay với tốc độ

 Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor làm

xuất hiện sức điện động

 Dây quấn Rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng

sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Rotor

 Lực tương tác giữa từ trường quay và thanh dẫn sẽ kéo

rotor quay tốc độ cùng chiều với từ trường quay

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1.3 Điều khiện động cơ không đồng bộ ba pha

o Mô hình hóa động cơ: Một số giả thiết

 Ba pha động cơ là đối xứng

 Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ

thuộc vào nhiệt độ, tần số, mạch từ không bão hóa nên điện

trở, điện kháng,…không thay đổi

 Tổng dẫn của mạch vòng từ hóa không thay đổi, dòng từ

hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt stator

 Bỏ qua tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép

 Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1 Động cơ không đồng bộ

o Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ

Một số cấu trúc điều khiển phổ biến:

 Điều khiển ⁄ (điều khiển vô hướng)

 Điều khiển tựa từ thông rotor

 Điều khiển moment trực triếp

3.1 Động cơ không đồng bộ

o Điều khiển ⁄ :

 Điều khiển ⁄ là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến ở

tất cả các loại biến tần

 Dựa theo nguyên tắc moment xoắn trên trục động cơ không

đồng bộ phụ thuộc vào tỉ lệ tần số và điện áp nguồn cấp, vì

thế mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ ⁄ =

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control – FOC)

 Lựa chọn hệ tọa độ tĩnh gắn với stator dộng cơ và hệ tọa

độ quay gắn vào trục rotor

 Vector điện áp, dòng điện và từ thông dược chuyển sang hệ

như sau:

3.1 Động cơ không đồng bộ

o Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control – FOC)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.1 Động cơ không đồng bộ

Biểu diễn đại lượng vector động cơ theo hệ trục và

o Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control – FOC)

 Để có thể sử dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông

rotor, việc xác định góc quay của từ thông rất quan trọng

 Có hai phương pháp xác định giá trị góc quay này, tương

ứng với hai phương án điều khiển:

• Điều khiển FOC trực tiếp

• Điều khiển FOC gián tiếp

3.1 Động cơ không đồng bộ

o Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control – DTC)

 DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và

moment

 Hai đại lượng được đo là điện áp một chiều sau chỉnh lưu và

dòng điện stator từ đó tính ra giá trị của từ thông stator và

moment trục động cơ

 Dựa vào các giá trị sai lệch với các giá trị đặt, bộ điều khiển

sẽ xác định thời điểm các cổng logic đóng mở các van điện

từ thông qua việc điều chế vector không gian

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Động cơ đồng bộ (Synchronous Motor) thuộc nhóm máy điện

xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó

tốc độ quay của rotorbằngvới tốc độ của từ trường quay trong

máy

o Động cơ đồng bộ thường được áp dụng trong các lĩnh vực yêu

3.2 Động cơ đồng bộ

 3, 4: Lõi thép, dâyquấn rotor

o Stator

 Lõi thép

• Làm từ lá thép kỹ thuật điện dày 0,35-0,5mm, phủ cách

điện

• Mặt trong xẻ rãnh để đặt dây quấn

• Ép lại thành hình trụ, và được ép vào vỏ bảo vệ

3.2 Động cơ đồng bộ

o Rotor

 Được cấu tạo từ lõi thép và dây quấn

 Lõi thép gồm phần thân rotor và các cực từ

 Dây quấn rotor được gọi là dây quấn kích từ và được cấp

điện một chiều nhờ hai vành trượt

 Rotor của máy điện đồng bộ có hai loại: cực ẩn và cực lồi

(phụ thuộc vào tốc độ của máy)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o So sánh động cơ IPM và SPM

3.2 Động cơ đồng bộ

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

 Khi cho dòng điện ba pha , , vào ba dây quấn stato,

dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc

độ: = 60 × ⁄

 Đồng thời, cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto →

nam châm điện

 Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto

tạo ra lực tác dụng lên rôto

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.2 Động cơ đồng bộ

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

 Từ trường stato quay với tốc độ nên lực tác dụng ấy sẽ

kéo rôto quay với tốc độ =

 Trục rotor nối với máy sản xuất, thì động cơ đồng bộ cũng

kéo máy đó quay với tốc độ không đổi

3.2 Động cơ đồng bộ

3.2.3 Điều khiển động cơ đồng bộ

quay

Có thể đáp ứng được yêu cần vận hành tốc độ cao

Đáp ứng được vận hành với tốc độ thấp hơn so với AC servo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3.4 Ví dụ động cơ AC Servo & Driver

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Hướng dẫn cài đặt Driver:

Có thể tham khảo các thông số cho các mạch vòng điều khiển thông

qua manual của Driver

 Thông số hệ thống: Pn000 -> Pn095

 Thông số mạch vòng điều khiển vị trí: Pn096 => Pn145

 Thông số mạch vòng điều khiển tốc độ: Pn146 => Pn185

 Thông số mạch vòng điều khiển momen: Pn186 => Pn219

 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

 4.2 Nội suy chuyển động

Chương 4: Điều khiển chuyển động

cho hệ truyền động Servo

o Phần này tập trung vào việc thiết kế quỹ đạo chuyển động

(trajectory generator) cho các khớp của cánh tay robot

o Việc thiết kế quỹ đạo chuyển động đươc chia thành hai

phương pháp chính:

 Chuyển động điểm – điểm (Point to Point)

 Chuyển động theo quỹ đạo cho trước (Contour)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

4.2.1 Chuyển động điểm – điểm

o Cánh tay robot được xem xét trong trường hợp này có đặc

điểm là các khớp hoạt động độc lập với nhau

o Từ bài toán động học ngược → vị trí mà các khớp cần quay

o Yêu cầu: góc khớp di chuyển từ vị trí đến trong khoảng

thời gian từ 0 đến

o Một số dạng quỹ đạo chuyển động có thể được sử dụng:

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động:

 Phương án chuyển động thường được lựa chọn sao cho

năng lượng tổn hao trong thời gian 0 → là nhỏ nhất

 Điều này được thể hiện thông qua việc bài toán tối ưu sau:

=

4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động:

 Quỹ đạo được chọn có dạng là đa thức bậc 3:

 Các giá trị , , , được xác định từ yêu cầu bài toán,

cụ thể từ các điều kiện biên của chuyển động

• Vị trí: vị trí ban đầu , vị trí kết thúc

• Tốc độ: tốc độ bắt đầu = tốc độ cuối = 0

 Khi đó, cần xét đến biểu thức tốc độ góc:

= 3 + 2 +

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động:

Ví dụ: = 0, = , = 1

= = 0

= 0+ =

o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động:

 Với các lý do bên trên, công thức sử dụng quỹ đạo chuyển

động có dạng đa thức bậc ba không được sử dụng trong

thực tế

 Vì vậy, công thức tính toán quỹ đạo chuyển động chấp nhận

chịu thêm tổn thất về năng lượng để có thể hài hòa về tính

liên tục của chuyển động

 Một phương pháp hay được áp dụng đó là phương pháp

Blended Polynomial (đa thức hỗn hợp) hay còn được gọi là