Đồ án bảo dưỡng công nghiệp Hệ thống Servo- Chương 1 ppt

Cơ cấu định vị: Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo bây

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Hệ thống servo là gì?

Nó là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí hoặc tốc độ mục tiêu giá trị

Cơ cấu định vị:

Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí và tốc

độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vị trí và tốc độ Sau đây là một số ví dụ về các cơ cấu định vị:

Cơ cấu định vị đơn giản :

Các vị dụ về cơ cấu này đó là xy lanh hay trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm

Ưu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ cao

Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor

Cơ cấu này có thể được điều khiển vòng hở, nửa kín hay vòng kín

Cơ cấu chuyển động định hướng

Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định từ bộ điều khiển Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến hay quay

Ưu điểm là cơ cấu chấp hành đơn giản và nâng cao tuổi thọ hộp số truyền động (do truyền động khá êm)

Backlash và hiệu chỉnh:

Backlash hiểu nôm na đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo.Tất cả các thiết

bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều dương và

âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0) Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:

Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo Chuyển động tới và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không được vượt quá khoản trống (đây là một trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo) Giới hạn này được gọi là backlash Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có một sự bù trừ cho nó Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiện việc bù trừ, hiệu chỉnh này Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệu

Hệ thống điều khiển

Có ba dạng :

Điều khiển vòng hở:

Nghĩa là bộ điều khiển vị trí chỉ đặt lệnh cho động cơ quay mà thôi

Điều khiển nửa kín:

Ở đây số vòng quay của step motor được mã hóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí Nghĩa là đến đây thì động cơ step chỉ quay một số vòng nhất định tùy thuộc vào “ lệnh” của bộ điều khiển vị trí, nói cách khác bộ điều khiển vị trí có thể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồ của người thiết kế

Điều khiển vòng kín

Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thong qua một thướt tuyến tính Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ

Cấu hình của hệ thống servo:

Động cơ servo

Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sử dụng cảm ứng từ nói chung là

nó có một máy dò để phát hiện tốc độ quay và vị trí

Bộ điều khiển (Tính hiệu đầu vào)

Điều khiển tốc độ đông cơ servo quay với một tốc độ tương ứng với tính hiệu điện áp đầu vào VÌ vậy nó giám sát tốc độ quay của đông cơ trong mọi thời điểm

Sơ đồ khối điều khiển động cơ servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ:

Trong đó phần A B C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh Phần D E

là cơ cấu thực thi và hồi tiếp Các phần A B C thì khá phổ dụng trong các sơ đồ khối điều khiển, phần D E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau Sau đây là một số ví dụ về phần D E thường gặp

Hoặc:

1.2.servomotor

Hình thức bên ngoài và tên

Số lượng ngõ ra

Loại servomotor

Số series

Ngày sản xuất

Số lượng tốc độ motor

Mẫu số

Tiêu chuẩn servomotor

Tên Servomotor Sigma II Series Thông số kỹ thuật phanh SGMAH 1:tiêu chuẩn

SGMPH C:phanh với nguồn 24VDC SGMGH E:S+C

SGMBH SGMPH:xem catalog cài đặt Công suất servomotor Thông số kỹ thuật trục quay

Nguồn cung cấp Thay đổi thiết kế A:200V A SGMAH

B:100V SGMPH

D:400V SGMGH(1500rmp) SGMBH

Thông số series của encoder E SGMPH

SGMBH A=200% B=250%

Công suất của sevomotor

Encoder series

Mã

số

Thông số kỹ thuật SGMAH SGMPH SGMGH SGMUH SGBMH

1 16-bit mã hóa tuyệt

đối

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

1 17-bit mã hóa tuyệt

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

A 13-bit mã hóa gia

tăng

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

B 16-bit mã hóa gia

tăng

Tùy chọn Tùy chọn - - -

C 17-bit mã hóa gia

tăng

chuẩn

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

Sự khác biệt so với motor thường:

Về kết cấu và hoạt đông của động cơ servo về cơ bản giống động cơ thường Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiên cơ khí

Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo Động cơ servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Chính vì thế nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển Về cơ bản thì một servo motor và một động cơ bình thường giống nhau về mặc cấu tạo và nguyên lý hoạt động ( cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, cách đấu dây … ) Tuy nhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho những mục đích đặc biệt) so với động cơ thường Sau đây là một vài ví dụ về nét đặt trưng của động cơ servo:

1.Tăng tốc độ đáp ứng tốc độ:

Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng thời gian quá độ Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải

tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất Ví dụ muốn điều khiển một cơ cấu từ vị trí X đến vị trí X’, ban đầu khi ở xa vị trí X’ thì động cơ quay với vận tốc lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí Các động cơ thường không thể đáp ứng được điều này Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ

Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet) 2.Tăng khả năng đáp ứng:

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số

Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của

cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí

3.Mở rộng vùng điều khiển (control range):

Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp định mức

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ 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)

4 Khả năng ổn định tốc độ:

Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định

Như các ta biết là không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực

tế Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở 1750 rmp mà nó chỉ dao động quanh giá trị này Động cơ servo khác biệt với động cơ thường

là ở chỗ độ ổn định tốc độ 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 được dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ Các rãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khác đặc biệt để có thể đáp ứng được yêu cầu này

Tăng khả năng chịu đựng của động cơ:

Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín hiệu điều khiển

ở tần số rất cao và có khả năng chịu được được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và

có thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đôi với DC)

Các loại và tính năng của Servo Motors:

Động cơ Servo được phân loại thành các động cơ servo DC, động cơ servo AC, và động

cơ bước

Có hai loại động cơ servo AC , động cơ servo đồng bộ và động servo loại cảm ứng

Phân loại động cơ servo:

Nét đặc trưng của mỗi động cơ servo:

Cấu trúc động cơ servo AC :

Các tính năng của động cơ servo AC so với động cơ servo DC:

- Nam châm vĩnh cửu được gắn sẳn trên roto từ trường quay

- Cuộn dây được cung cấp trên các Stator tĩnh phần ứng

- Mặt khác, các chức năng điện của Stator một rotor được đảo ngược, động cơ AC servo không có các chuyển mạch và chuổi than mà động cơ DC servo có

Nguyên tắc hoạt động của đông cơ servo AC:

Như hình trên thì động cơ có ba cuộn dây với một đầu chung cho tất cả các cuộn dây Thông thường đầu chung được đấu với nguồn dương nguồn và được kích từ theo thứ tự liên tục

Theo hình thì đây là động cơ có 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 dòng 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

Các đặc điểm của động cơ servo:

1.3 Servo Amplifiers

Hình thức bên ngoài

Loại servo Amplifier

Số series

Áp dụng công suất

Áp dụng nguồn cung cấp

Mẫu số

Sigma II Series

SGDH Servo Amplifier

Công suất tối đa áp dụng Servomotor

Điện áp cung cấp

A:200V

B:100V

D:400V

Loại

E:đối với momen xoắn,tốc độ và kiểm soát vị trí

Cài đặt

R: Rack mounted

S: một pha

P: ống-thông gió (chỉ 6 đến 15kW)

Công suất tối đa áp dụng Servomotor

Công suất tối đa áp dụng Servomotor

Ký hiệu Công suất (KW) Ký hiệu Công suất(KW)