nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun

Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu kiểu giàn phun boom sprayer mà các vòi phun của nó có khả năng t

BỘ GIÁO GIÁO DỤC ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
 -

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY

PHUN DẠNG GIÀN PHUN

Hà Nội - 2013

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp hà nội



NGUYỄN PHÚC DƯƠNG

NGHIấN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY

PHUN DẠNG GIÀN PHUN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : 1 TS NGễ TRÍ DƯƠNG

2 TS Lấ VŨ QUÂN

Hà Nội – 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số

liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình

khoa học nào trước ñây

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều

ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Nguyễn Phúc Dương

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện ñề tài này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự ñộng hóa, khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ñại học và các thầy cô trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội Nhân dịp này, cho phép tôi ñược bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất ñến quý thầy cô

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Ngô Trí Dương và thầy TS

Lê Vũ Quân ñã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ từ việc ñịnh hướng

ban ñầu, giải quyết từng nội dung ñề tài, ñến sửa ñổi những sai sót trong suốt quá trình học tập và quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường ðại học Hải Dương, các ñồng nghiệp, bạn bè, gia ñình và người thân ñã tạo mọi ñiều kiện giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này

Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân ñã dành cho tôi mọi sự giúp ñỡ quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 12 năm 2013

Học viên Nguyễn Phúc Dương

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ðẦU 1

1 ðặt vấn ñề 1

2 Mục ñích nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về mô hình trồng cây 3

1.2 Các phương pháp phun cho loại cây trồng 3

1.2.1 Máy phun bằng tay 3

1.2.2 Máy phun bằng máy 4

1.2.3 Phun tự ñộng 5

1.3 Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun 5

1.3.1 Yêu cầu luận văn 5

1.3.2 Giải pháp thiết kế 6

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 8

2.1 Xây dựng mô hình phun 8

2.2 Thiết kế phần cứng 11

2.3 Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình 11

2.3.1 Tổng quan về ñiều khiển lập trình 11

2.3.2 Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn 14

2.3.3 Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1) 15

2.4 Lựa chọn cảm biến 16

2.4.1 Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16

2.4.2 Cấu hình ngõ ra của cảm biến 18

2.4.3 Lựa chọn cảm biến 18

2.5 Lựa chọn ñộng cơ bước 19

2.5.1 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ bước 20

2.5.2 ðộng cơ từ trở thay ñổi 23

2.5.3 ðộng cơ ñơn cực 24

2.5.4 ðộng cơ lưỡng cực 26

2.5.5 ðộng cơ nhiều pha 27

2.5.6 Các mạch ñiều khiển ñộng cơ bước cơ bản 28

2.5.7 Lựa chọn ñộng cơ bước 34

2.6 Phần cơ khí 34

2.6.1 Bánh răng và thanh răng 34

2.6.2 Van ñiện từ 36

2.6.3 Vòi phun 37

Chương 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 38

3.1 Sơ ñồ cấu trúc và chức năng các khối 38

3.2 Lựa chọn phần mềm ñiều khiển PLC 38

3.3 Sơ ñồ kết nối phần cứng 39

3.3.1 Lựa chọn các ñịa chỉ vào/ra 39

3.3.2 Sơ ñồ kết nối phần cứng 40

3.3.3 Chương trình ñiều khiển 41

3.4 Thuật toán hoạt ñộng 44

3.4.1 Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44

3.4.2 Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB2 45

3.4.3 Thuật toán ñiều khiển chương trình chính 47

3.5 Chạy mô phỏng chương trình 50

3.5.1 Các bước chạy chương trình (Phụ lục 2) 50

3.5.2 Kết quả mô phỏng 50

3.6 Thiết kế giao diện 51

3.6.1 Các bước thiết kế giao diện Win CC .52

3.6.2 Giới thiệu phần mềm S7-200 PC ACCESS 54

3.6.3 ðiều khiển vòi phun thuốc sâu trên Win CC .58

KẾT LUẬN 60

1 Kêt luận 60

2 Hướng phát triển 60

3 Giới hạn ñề tài 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tạng thái cấp ñiện cho các cuộn dây 22

Bảng 2.2 Bảng thông số vòi phun 37

Bảng 3.1 Bảng phân công tín hiệu 39

Bảng 3.2 Bảng ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay 4

Hình 1.2 Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ 4

Hình 1.3 Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống 5

Hình 1.4 Mô hình hóa mô hình trồng rau 6

Hình 1.5 Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí 7

Hình 2.1 Mô hình hóa mô hình trồng rau 8

Hình 2.2 Nguyên lý chung hệ thống 9

Hình 2.3 Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến 10

Hình 2.4 Mô hình hệ thống phun thuốc sâu 11

Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét 12

Hình 2.6 Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224 14

Hình 2.7 Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16

Hình 2.8 Cấu trúc cảm biến quang 17

Hình 2.9.Cảm biến E3F-DS10C4 17

Hình 2.10 Cảm biến màu BZJ- 211 19

Hình 2.11 ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 20

Hình 2.12 Cấu tạo ñộng cơ bước 23

Hình 2.13 ðộng cơ bước ñơn cực 24

Hình 2.14 ðộng cơ bước lưỡng cực 26

Hình 2.15 ðộng cơ bước nhiều pha 27

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề

ðưa tự ñộng hóa vào trong các máy canh tác sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, ñây là một lĩnh vực nghiên cứu ñã ñược nhiều nước nông nghiệp phát triển trên thế giới quan tâm nhưng ở Việt Nam hiện nay còn tương ñối hạn chế

Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun thuốc bảo vệ thực vật có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí cây trồng ñể phun thuốc sẽ góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng làm việc của máy phun thuốc trừ sâu Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu kiểu giàn phun (boom sprayer) mà các vòi phun của nó có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí của ñối tượng cây trồng, nhờ vậy máy có thể tiến hành phun thuốc chính xác trực tiếp lên cây trồng

Chính vì vậy tính cấp thiết của ñề tài tôi chọn ñề tài trên ñể giải quyết ứng dụng

kỹ thuật tự ñộng hóa vào quá trình ñiều khiển vị trí vòi phun, cho phép giảm lượng thuốc bảo vệ thực vật phun thừa, tránh tác ñộng ñộc hại ñến con người, góp phần bảo

vệ môi trường hướng ñến một nền nông nghiệp an toàn và chính xác Chính vì vậy tôi chọn ñề tài trên ñể giải quyết các vấn ñề liên quan ñến tính cấp thiết của ñề tài

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ðiều tra, tìm hiểu tài liệu sử dụng trong luận văn thông qua các kênh thông tin khác nhau

- Kế thừa các công trình nghiên cứu về các kỹ thuật ñiều khiển, ñiều chỉnh tự ñộng, thiết kế mạch, lập trình ñiều khiển

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lựa chọn phương pháp ñiều khiển vị trí vòi phun Tìm hiểu một số phương pháp ñiều khiển vị trí ñang ñược sử dụng trong thực tế Từ các phương pháp ñiều khiển ñã có, chọn ra phương pháp ñiều khiển bằng ñộng cơ bước

- Nghiên cứu tổng quan về ñộng cơ bước, căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật ñặt ra ñối với vị trí vòi phun, lựa chọn loại ñộng cơ bước phù hợp

- Nghiên cứu các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ bước dang tùy biến theo thời gian, từ ñó chọn ra phương pháp ñiều khiển phù hợp

- Nghiên cứu, thiết kế giao diện hệ thống ñiều khiển vị trí vòi phun

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về mô hình trồng cây

Ở Việt Nam có hơn 3000 loài sâu bệnh hại cây trồng, sâu bệnh hại là một trong các nguyên nhân chính làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp ðể ổn ñịnh sản xuất nông nghiệp, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp thì công tác phòng trừ sâu bệnh là một trong các nhiệm vụ hàng ñầu Hiện nay trong công tác bảo vệ thực vật, ñể bảo vệ môi trường việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (ñặc biệt là các loại thuốc hóa học) ñã ñược thay thế bằng nhiều biện pháp phòng trừ dịch hại khác như: Phòng trừ thông qua kỹ thuật canh tác cây trồng; Phòng trừ thông qua chọn giống, di truyền; Phòng trừ thông qua biện pháp sinh học; Sử dụng các phương pháp vật lý ñể bắt và phòng trừ sâu bệnh; Áp dụng phòng trừ dịch hại tổng hợp (IPM)

Tuy nhiên kết quả mang lại của các biện pháp thay thế vẫn chưa ñược như mong muốn, nên việc phun các loại thuốc bảo vệ thực vật trực tiếp vào cây trồng ñể tiêu diệt và phòng chống sâu bệnh vẫn ñược sử dụng, ñặc biệt khi phát sinh dịch hại thì biện pháp này vẫn mang lại hiệu quả cao nhất

1.2 Các phương pháp phun cho loại cây trồng

1.2.1 Máy phun bằng tay

Thiết bị phun sử dụng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là các bình bơm tay hoặc các máy phun có ñộng cơ ñeo vai, có một số ít nơi sử dụng các loại máy phun có ñộng cơ tự hành hoặc liên hợp với máy kéo Trong quá trình sử dụng các máy phun hiện có bộc lộ một số nhược ñiểm như: Năng suất, chất lượng làm việc thấp, khó có thể ñáp ứng ñược nhu cầu thực tiễn khi hình thành vùng sản xuất tập chung, chuyên canh quy mô lớn; Hiệu quả sử dụng thuốc thấp, mức ñộ hao phí thuốc cao gây ảnh hưởng ñến môi trường sống; Ngoài ra với ñiều kiện về bảo hộ lao ñộng ở Việt Nam như hiện nay có một thực tế ñang tồn tại là người vận hành máy phun bị mắc rất nhiều bệnh nghề nghiệp do phải thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với thuốc phun, gây ra các ảnh hưởng xấu trực tiếp ñến sức khỏe người lao ñộng và có di chứng tới cả thế hệ sau

Hình 1.1 Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay

1.2.2 Máy phun bằng máy

ðối với các thiết bị phun có ñộng cơ thì hầu hết hiện nay ñược thiết kế ñể trong quá trình làm việc khi phun thuốc, lượng thuốc phun ra sẽ phủ kín toàn bộ vùng nằm trong khả năng phun của máy, nhưng trong thực tế sản xuất vị trí có cây trồng chỉ là một phần của bề rộng làm việc, phần còn lại là diện tích ñất không có cây trồng ñặc biệt với các loại hoa mầu trồng theo luống, do khi phun, lượng thuốc phủ kín bề mặt làm việc nên có tình trạng có một lượng thuốc không nhỏ ñã không ñược phun vào cây trồng mà phun xuống ñất, ñây chính là một trong các tác nhân gây ra ảnh hưởng xấu của thuốc bảo vệ thực vật tới môi trường

Hình 1.2 Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ

1.2.3 Phun tự ñộng

Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun thuốc bảo vệ thực vật có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí cây trồng ñể phun thuốc sẽ góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng làm việc của máy phun thuốc trừ sâu Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu, mà các vòi phun của

nó có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí của ñối tượng cây trồng, nhờ vậy máy có thể tiến hành phun thuốc chính xác trực tiếp lên cây trồng

Hình 1.3 Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống

1.3 Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun

1.3.1 Yêu cầu luận văn

Mô hình trồng rau công nghiệp, các cây sẽ ñược trồng thẳng hàng trên luống với khoảng cách xác ñịnh (từ 0,05 m cho ñến 2 m), và các luống cách nhau bởi các rãnh (0,2 m ñến 0,8 m), các rãnh ñể thoát nước và cũng là ñường ñi của máy phun thuốc sâu

ðể thực hiện ñược quá trình này thì cây trồng cần phải ñược tập chung canh tác

chuyên canh (Hình 1.3) Lúc này máy phun thuốc sâu sẽ di chuyển trên rãnh ñồng thời

giàn phun sẽ di chuyển ñến vị trí cây cần phun Hành trình của vòi phun phụ thuộc vào cách bố trí vị trí của cây trên ruộng hành trình của vòi phun sẽ ñược ñiều khiển sao cho khi vòi phun di chuyển ñến vị trí của cây

Trong thực tế các cây trên cùng 1 luống dài 100 m có 2 hàng ñược trồng cây cách cây là 0,5m và các luống cách nhau 0,5 m

Hình 1.4 Mô hình hóa mô hình trồng rau

1.3.2 Giải pháp thiết kế

Với yêu cầu của luận văn là ñiều khiển vị trí vòi phun theo vị trí cho trước hoặc bất kỳ, và vòi phun sẽ dừng lại ở vị trí cây và phun cho cây Trong luận văn tôi sẽ sử dụng giải pháp là dùng cảm biến hồng ngoại ñể xác ñịnh vị trí của cây Lựa chọn PLC

ñể ñiều khiển vị trí vòi phun thông qua ñộng cơ bước

Các cảm biến nói chung ñều có khả năng nhận biết tín hiệu và ñưa ra bộ ñiều khiển lập trình như PLC, Vi xử lý

ðể hệ thống phun thuốc sâu nhận biết ñược khoảng cách lớn hơn, ta sử dụng cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại Với các cảm biến có khả năng ño khoảng cách càng xa thì giá thành càng lớn Muốn hệ thống phun ñược khoảng cách cây lớn ta ñưa ra bài toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến trên một cơ cấu dịch chuyển có thể ñiều khiển ñược

Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí:

Hình 1.5 Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí

Cảm biến cảm nhận vị trí cây và tác ñộng thì ñộng cơ bước dừng hẳn và vòi sẽ phun thuốc

Từ yêu cầu của luận văn ta có ñược giải pháp thiết kế hệ thống ñiều khiển ðCB tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, từ ñó ta có thể nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, nội dung này sẽ ñược trình bày ở chương 2

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG

CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN

2.1 Xây dựng mô hình phun

Trong mô hình trồng cây, các cây trên cùng 1 luống dài 100m có 2 hàng ñược trồng cây cách cây là 0,5 m và các luống cách nhau 0,5 m

Hình 2.1 Mô hình hóa mô hình trồng rau

Nhưng trong thực tế thì vị trí cây không có khoảng cách ñều như trên hình vẽ,

mà vị trí cây có thể ñược trồng như trên hình 2.3 Tức là vòi phun có thể dịch chuyển

ñộng ñến và phun ở vị trí cây bất kỳ (tùy biến)

Từ sơ ñồ bài toán ñiều khiển vòi phun theo vị trí tùy biến, ta triển khai xây dựng hệ thống với các sơ ñồ nguyên lý như sau:

Hình 2.2 Nguyên lý chung hệ thống

CðB 1: ðộng cơ bước 1;

CðB 2: ðộng cơ bước 2;

AB, CD: Trục ñỡ có thể chuyển ñộng tịnh tiến;

P: Vòi phun có gắn liền với cảm biến;

VT 1, VT 2, VT 3, VT 4, VT 5, VT 6: Vị trí câycần phun;

Mô tả quá trình phun:

Trục ñỡ AB có thể chuyển ñộng tịnh tiến theo chiều dọc luống AB và ñược ñiều khiển bởi ñộng cơ bước CðB 1, Trục ñỡ CD có thể chuyển ñộng tịnh tiến theo chiều ngang luống CD và ñược ñiều khiển bởi ñộng cơ bước CðB 2

Hệ thống phun sẽ chuyển ñộng dọc luống, khi cảm biến tác ñộng (nhận ñược cây ở VT 1) thì ñộng cơ bươc CðB 1 dừng, ñồng thời van mở ñể phun thuốc trong thời gian giả sử là 10 giây, khi phun hết 10 giây thì van ñóng (ngừng phun) ðCB 2 làm việc ñẩy vòi phun P chuyển ñộng theo phương ngang CD, khi cảm biến nhận biết cây ở VT

van ñóng ñể ngừng phun Kết thúc quá trình này hệ thống ñã phun ñược vị trí cây 1, 2 theo hàng ngang

Tiếp theo hệ thống sẽ phun ở vị trí 3,4 và 5,6 theo chu trình như trên

Phần cơ khí chính của thiết bị là cơ cấu ñể dịch chuyển ñầu cảm biến theo phương ngang và chuyển ñộng theo phương dọc (chuyển ñộng tịnh tiến) dưới sự ñiều khiển của PLC Cơ cấu này gồm:

- Hai bánh răng quay gắn trên một ñộng cơ bước ñể xác ñịnh góc (số bước) ñã quay

- Hai thanh ray có gắn bánh răng khớp với bánh răng quay ñể chuyển từ chuyển ñộng quay sang chuyển ñộng thẳng

Hình 2.3 Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến

Vòi phun sẽ dịch chuyển từ VT1  VT2 VT3 VT4 VT5  VT6

…VTn Khi cảm biến gặp cây thì sẽ tác ñộng, ðCB1 dừng ñồng thời vòi phun P sẽ

dịch chuyển vòi phun ñến VT3, tiếp theo sẽ lầ lượt là VT4, VT5, VT6…VTn

2.2 Thiết kế phần cứng

Phần truyền ñộng gồm có bánh răng và thanh răng chuyển ñộng dịch chuyển

so với nhau Vòi phun và cảm biến ñược gắn trên thanh răng ñể di chuyển ñến vị trí cần phun

Hình 2.4 Mô hình hệ thống phun thuốc sâu

Phần cứng hệ thống: CðB1: ðộng cơ bước 1; CðB2: ðộng cơ bước 2;

AB, CD: Trục ñỡ có thể chuyển ñộng tịnh tiến; P: Vòi phun có gắn liền với cảm biến

2.3 Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình

2.3.1 Tổng quan về ñiều khiển lập trình

PLC thực hiện các công việc của mình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp còn ñược gọi là 1 vòng quét Mỗi vòng quét ñược bắt ñầu bằng việc chuyển dữ liệu từ ñầu vào ñến miền nhớ I, sau ñó là giai ñoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình thực hiện từ lệnh ñầu tiên ñến lệnh cuối cùng của khối OB1 Sau khi thực hiện xong giai ñoạn này, dữ liệu sẽ ñược chuyển từ miền nhớ Q

ra các ñầu ra số Vòng quét sẽ kết thúc bằng giai ñoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU

Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét

Thời gian cần thiết ñể PLC thực hiện xong 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time) Thời gian vòng quét không cố ñịnh mà phụ thuộc vào số lệnh phải thực hiện trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét ñó Như vậy, thời gian vòng quét quyết ñịnh tính thời gian thực của chương trình ñiều khiển PLC Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao

Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi ñộng, kiểm soát, xử lý và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc ño ñếm các giá trị ñã ñạt ñược xác ñịnh nhằm ñạt kết quả tốt nhất ở sản phẩm ñầu ra thì ñược gọi là Hệ thống ñiều khiển

Trong kỹ thuật tự ñộng, các bộ ñiều khiển chia làm 2 loại:

- ðiều khiển nối cứng

- ðiều khiển logic khả trình

Một hệ thống ñiều khiển bất kỳ ñược tạo thành từ các thành phần sau:

Khối vào: Khối có nhiệm vụ chuyển ñổi các ñại lượng vật lý thành các tín

hiệu ñiện, các bộ chuyển ñổi có thể là: Nút nhấn, cảm biến … và tùy theo bộ chuyển ñổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục (analog)

Khối xử lý: Khối có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào ñể tạo những tín

hiệu ra ñáp ứng yêu cầu ñiều khiển

Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống ñiều khiển

Các tín hiệu này ñược sử dụng tạo ra những hoạt ñộng ñáp ứng cho các thiết bị ở ngõ ra Các ngõ ra là: ðộng cơ ñiện, xy lanh, solenoid, van, role…

Sơ lược về lịch sử của PLC

Ngày nay tự ñộng hóa ngày càng ñóng vai trò quan trọng ñời sống và công nghiệp, tự ñộng hóa ñã phát triển ñến trình ñộ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết ñiều khiển tự ñộng, tiến bộ của ngành ñiện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ thống ñiều khiển ra ñời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ ñiều khiển lập trình PLC

Bộ ñiều khiển lập trình ñầu tiên (Programmable controller) ñã ñược những nhà thiết kế cho ra ñời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm ñáp ứng các yêu cầu ñiều khiển:

Dễ lập trình và thay ñổi chương trình

Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa

ðảm bảo ñộ tin cậy trong môi trường sản xuất

Tuy nhiên hệ thống còn khá ñơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống ñơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành ðể ñơn giản hóa việc lập trình, hệ thống ñiều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) ñầu tiên ñược

ra ñời vào năm 1969 ðiều này ñã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình Trong giai ñoạn này các hệ thống ñiều khiển lập trình (PLC) chỉ ñơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống ñiều khiển cổ Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế ñã từng bước tạo ra ñược một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, ñó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản ñồ hình thang

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho ñến nay ñã làm cho

hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng:

Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng ñiều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

Bộ nhớ lớn hơn

Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những ñầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic ñơn giản mà còn có thêm các lệnh về ñịnh thì, ñếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng

lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc ñộ của hệ thống ñược cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh ñó, PLC ñược chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC ñược mở rộng hơn

2.3.2 Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn

Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC:

Xét về 2 mặt là kinh tế và kỹ thuật thì tôi lựa chọn bộ lập trình ñiều khiển là

bộ PLC S7-200 CPU224 của hãng Siemmen

-

Hình 2.6 Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224

Nguồn cung cấp: 24VDC

- Các ñịa chỉ ngõ vào và ra

+ Các ñịa chỉ ngõ vào: Có 14 ñịa chỉ (I0.0; I0.1; I0.2; I0.3; I0.4; I0.5; I0.6; I0.7,;I1.0; I1.1; I1.2; I1.3; I1.4; I1.5)

+ Các ñịa chỉ ngõ ra: Có 10 ñịa chỉ (Q0.0; Q0.1;Q0.2; Q0.3; Q0.4; Q0.5; Q0.6; Q0.7; Q1.0; Q1.1)

Bộ ñiều khiển PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RL Kích thước: (rộng x cao x sâu) 120.5mm x 80mm x 62mm, khối lượng 410g Tính năng CPU: Số lượng ñầu vào số:14; số lượng ñầu ra số: 10; số bộ ñếm tốc ñộ cao: 6; số module mở rộng: 7;

số lượng ñầu vào/ra số tối ña: 56; số lượng ñầu vào/ra tương tự tối ña: 32vào/ 32ra;

số timer: 256 ðộ phân giải 1ms: 4 ðộ phân giải 10ms: 16 ðộ phân giải 100ms:

236 Số counter: 256 Nguồn nuôi: Dải ñiện áp cho phép: 85÷264VAC ở 47÷63Hz; dòng vào cho phép: 30/100mA ở 240VAC, 60/200mA ở 120VAC; dòng khởi ñộng: 20A ở 264VAC Nguồn ra cấp cho thiết bị chấp hành: Dải áp: 20.4÷28.8VDC

Ngôn ngữ LADDER:

Là ngôn ngữ lập trình ñồ họa dựa trên cơ sở sơ ñồ trang bị ñiện, việc kết nối lập trình ñồ họa giống với việc thiết lập các sơ ñồ relay- contactor Một chương trình nguồn viết bằng LAD ñược tổ chức thành các network, mỗi network thực hiện một công việc nhỏ

S7-200 ñọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau ñó lập lại ở vòng quét tiếp theo

Ví dụ: Ngôn ngữ LADDER:

2.4 Lựa chọn cảm biến

Lựa chọn cảm biến quang Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng Bộ phát truyền ánh sáng ñi và bộ thu nhận ánh sáng Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến

2.4.1 Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp

Hình 2.7 Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp

Với cảm biến quang loại thu phát tích hợp là bộ thu và bộ phát tích hợp trên cùng một bộ, khi ñược cấp nguồn thì bộ phát phát ra ánh sáng nếu không có ñối tượng thì ánh sáng từ bộ phát không tới ñược bộ thu do ñó cảm biến không có tín hiệu Khi có ñối tượng thì ánh sáng từ bộ phát tới ñập vào ñối tượng phản xạ tới bộ thu lúc này ngõ ra out của cảm biến có tín hiệu

Nguồn

Bộ phát

Bộ thu

Out

Thông thường các cảm biến thường sử dụng ñiện áp 1 chiều từ 10-30VDC Cấu trúc của cảm biến quang khá ñơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

Hình 2.8 Cấu trúc cảm biến quang Hình 2.9.Cảm biến E3F-DS10C4

Cách mắc cảm biến quang:

Cảm biến quang thường có 3 ñầu dây ra tương ứng với 3 màu ñen, nâu và xanh Dây màu nâu ñược nối với +24V còn dây màu xanh nối với 0V ñể làm nguồn nuôi cảm biến và dây màu ñen nối là ñầu xuất tín hiệu ra của cảm biến nối với bộ ñiều khiển

Các thông số chính:

Cảm biến quang E3F-DS10C4 có: Module: E3F-DS10C4, tên hãng: Omron ðầu ra: 1chiều với 3 dây tín hiệu Khoảng cách phát hiện: Trong khoảng 40 cm ðiện áp làm việc: 6 ñến 36 VDC Dòng làm việc: 200mA Tần số: 500Hz Kích thước: 18 x 69mm /(D*L) Trọng lượng: 60g Màu sắc: Vàng và ñen

Ưu, nhược ñiểm của cảm biến quang

2.4.2 Cấu hình ngõ ra của cảm biến

Cảm biến màu BZJ- 211 có 4 ñầu dây ra tương ứng 4 màu ñen, trắng, ñỏ, xanh Dây màu xanh nối vào 0V, dây màu ñỏ ñược nối +24V ñể làm nguồn nuôi cảm biến, dây màu ñen và màu trắng là ñầu xuất tín hiệu ra của cảm biến ñể nhận biết màu và ñược nối vào bộ ñiều khiển

ðể nhận biết ra ñối tượng có thể sử dụng nhiều loại cảm biến có thể phát hiện ra vật, thông thường sử dụng cảm biến quang Với cảm biến quang thì có 2 loại chính là bộ thu phát tách rời và bộ thu phát tích hợp ðể phù hợp với nội dung luận văn tôi chọn loại cảm biến quang thu phát tích hợp

Lựa chọn cảm biến màu

Cảm biến màu là một thiết bị ñược sử dụng ñể ñọc màu sắc của ánh sáng

Có nhiều loại cảm biến màu khác nhau nhưng nhìn chung chúng ñều hoạt ñộng theo một nguyên lý cơ bản Cấu tạo chung của các cảm biến màu là chúng gồm các photodiode ñể thu nhận ánh sáng Và ñể thu ñược màu sắc như mong muốn mỗi một tế bào của cảm biến sẽ ñược phủ một tấm lọc màu Và ñể có thể nhận dạng ñược màu sắc thì sẽ có bộ chuyển ñổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu ñiện

áp hay tần số

Cảm biến màu ñược ứng dụng trong rất nhiều thiết bị như là camera, màn hình màu, trong các dây chuyền phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc và ñặc biệt là trong chế tạo các thiết bị ño màu

Cảm biến màu CS1-N1111, cảm biến giám sát màu CVS4, Cảm biến giám sát màu CVS2, cảm biến màu CSL1, cảm biến màu series CSM1,…

Hình 2.10 Cảm biến màu BZJ- 211

BZJ- 211 là sensor hoạt ñộng dựa trên nguyên tắc phát xạ quang và hình ảnh nhận ñược Nó gửi dải ánh sáng tới ñối tượng và nhận ñược tia phản xạ ánh sáng từ ñối tượng, sau ñó theo cường ñộ của tia nhận ñược ñể xác ñịnh màu của ñối tượng hoặc ñể phân biệt có hay không có ñối tượng

Ứng dụng: Là loại cảm biến ñược sử dụng trong các hệ thống kiểm soát bao bì, máy in, máy thực phẩm, dệt may,… cùng với các mạch ñiều khiển và thiết bị khác

Ngoài ra cảm biến BZJ- 211 còn phát hiện màu sắc nhãn hiệu in trên nền màu hoặc màu sắc mô hình khối như: Nhãn hiệu, có hay không có ñường dây, các ñối tượng có tồn tại không

Cảm biến màu: BZJ- 211 có: Kích thước sản phẩm: 28*57*85 ðiện áp: 10-

30 VDC Dòng ñiện: <200mA Nhiệt ñộ môi trường: 0- 50 0C Phương pháp phát hiện: ðồng trụ phản xạ Khoảng cách phát hiện: <15mm Sắc ký ñồ của ánh sáng: Red/ Green/ Blue/ White Thời gian tác ñộng: 1.5ms ðầu ra kiểu: NPN Shell nguyên liệu: Kim loại Chiều dài cáp: 2m

2.5 Lựa chọn ñộng cơ bước

ðể ñiều khiển một chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng thẳng thì có thể sử dụng ñộng cơ ñiện xoay chiều, ñộng cơ ñiện 1 chiều với các ñộng cơ này thì khi muốn dừng tại 1 vị trí nào ñó một cách chính xác thì khó ñiều khiển mặt khác lại phải sử dụng giới hạn hành trình và hãm ðộng cơ bước là một ñộng cơ cho phép dừng chính xác vị trí, nó phù hợp với các bài toán ñiều khiển vị trí do ñó 2 ñộng cơ trong luận văn tôi chọn là ñộng cơ bước có cùng thông số như nhau

2.5.1 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ bước

ðộng cơ bước là một loại ñộng cơ ñiện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với ña số các ñộng cơ ñiện thông thường Chúng thực chất là một ñộng cơ ñồng bộ dùng ñể biến ñổi các tín hiệu ñiều khiển dưới dạng các xung ñiện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển ñộng góc quay hoặc các chuyển ñộng của rôto có khả năng

cố ñịnh rôto vào các vị trí cần thiết

Về cấu tạo, ñộng cơ bước có thể ñược coi là tổng hợp của hai loại ñộng cơ: ðộng

cơ một chiều không tiếp xúc và ñộng cơ ñồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

ðộng cơ bước ñược chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến trở từ (cũng có loại hỗn hợp) Các ñộng cơ bước rất phong phú về góc quay, ñộng cơ kém nhất là quay 90 ñộ mỗi bước, có những ñộng cơ bước nam châm vĩnh cửu quay 1,8 ñến 0,72 ñộ mỗi bước

ðối với cả hai loại ñộng cơ nếu chỉ một cực của ñộng cơ ñược kích ñiện thì rôto (ở chế ñộ không tải) sẽ nhảy ñến một góc cố ñịnh và sau ñó giữ nguyên

Khi sử dụng các ñầu nối trung tâm thường ñược nối vào cực dương của nguồn và hai ñầu còn lại của mỗi cực lần lượt nối ñất ñể ñào chiều từ trường bởi cuộn dây ñó

Cực 1 nằm ở cực trên và dưới của stato còn cực 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái ñộng cơ, rôto là một nam châm vĩnh cửu 6 cực, 3 nam và 3 bắc ñược xếp xen kẽ trên vòng tròn

Trong hình vẽ khi dòng ñiện ñi qua từ ñầu trung tâm của cực 1 ñến ñầu a tạo ra cực Bắc trong stato, trong khi ñó cực còn lại của stato là cực Nam Nếu ñiện ở cực 1 bị ngắt và ñược kích vào cực 2 thì rôto sẽ quay 30 ñộ, hay 1 bước ðể quay ñộng cơ một cách liên tục chúng ta chỉ cần cấp ñiện vào hai cực ñộng cơ theo dãy sau:

0011001100110011001100110 Cực2a:

0110011001100110011001100 Cực2b:

1001100110011001100110011 Thời gian →

ðối với ñộng cơ hai nửa của một cực không ñược kích cùng một lúc Cả hai dãy nêu trên sẽ quay ñộng cơ một bước ở mỗi thời ñiểm do ñó nó sử dụng ít năng lượng hơn ðiều khiển theo dãy bên phải ñòi hỏi phải cấp cho cả hai mẫu cùng một lúc do ñó sẽ tạo mô men xoắn lớn hơn so với dãy bên phải 1,4 lần, trong khi ñó lại phải cấp ñiện gấp hai lần

ðiều khiển trung bình dựa theo hai dãy trên vị trí bước ñược tạo ra cho phép ñiều khiển nửa bước, với việc dừng ñộng cơ một cách lần lượt tại các vị trí ñã nêu ở một trong hai dãy trên Chuỗi kết hợp ñiều khiển như sau:

ñể ñảm bảo công suất ñiều khiển ñộng cơ trong quá trình hoạt ñộng

Tại mỗi thời ñiểm chỉ có 1 cực ñược cấp ñiện

Bảng 2.1 Tạng thái cấp ñiện cho các cuộn dây

ðộng cơ bước làm việc ñược nhờ có bộ chuyển mạch ñiện tử, ñể ñưa tín hiệu ñiều khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất ñịnh Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc ñộ quay của rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển và tần số chuyển ñổi

ðộng cơ bước ñược chia thành hai loại, ñộng cơ bước nam châm vĩnh cửu

và ñộng cơ bước từ trở thay ñổi (cũng có loại ñộng cơ phối hợp cả hai loại trên) cách chia cũng phụ thuộc quan ñiểm người sử dụng

Nếu ñánh mất nhãn trên ñộng cơ ta có thể tổng quát nêu lên ñược hai khác biệt bởi cảm nhận ñược qua giác quan ðộng cơ nam châm vĩnh cửu có xu hướng

“khớp “ khi ta dùng tay xoay rotor trong khi ñộng cơ từ trở thay ñổi hầu như quay

tự nhiên, ta cũng có thể phân biệt ñược sự khác nhau khi dùng một Ohm-Metter ñộng cơ từ trở thay ñổi thường có ba hay bốn cuộn dây với một ñầu chung trong khi ñộng cơ nam châm vĩnh cửu luôn có hai cuộn dây ñộc lập có hay không có ñầu nối

ở tâm (loại nam châm vĩnh cửu ñơn cực thường dùng)

ðộng cơ bước có tầm rộng của ñộ phân giải góc, bước lớn nhất khoảng 90 ñộ trên mỗi bước ðối với ñộng cơ nam châm vĩnh cửu có ñộ phân giải cao thường có thể ñiều khiển ñược 1.8 hay ngay cả 0.72 ñộ cho mỗi bước Với bộ ñiều khiển thích hợp, ñộng cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp có thể hoạt ñộng ở chế ñộ Hafl-Vòng, một số bộ ñiều khiển có thể ñiều khiển ở các bước rất nhỏ gọi là micro-vòng Cho cả ñộng cơ nam châm vĩnh cửu lẫn từ trở thay ñổi nếu cấp ñiện cho cuộn dây rotor sẽ chuyển ñộng nhanh tới một góc cố ñịnh và giữ góc ñó ñến khi moment quay vượt quá moment giữ của ñộng cơ ở lúc này rotor sẽ quay và cố giữ cho ñến ñiểm kế tiếp

2.5.2 ðộng cơ từ trở thay ñổi

Hình 2.12 Cấu tạo ñộng cơ bước

Nếu ñộng cơ có 3 cuộn dây thường ñược kết nối như hình với một ñầu chung cho tất cả các cuộn dây Khi sử dụng cuộn dây chung thường ñược ñưa vào nguồn dương và các cuộn dây ñộ nối mức thấp tuần tự

trong ñộng cơ này có 4 răng và stator có 6 cực với mỗi cuộn dây ñược bao phủ bởi

2 cực ñối diện Khi cuộn dây 1 ñược cấp năng lượng răng rotor ñược ñánh dấu X sẽ

bị kéo về cuộn dây này Nếu dòng ñiện qua cuộn dây 1 bị ngắt và cuộn dây 2 ñược nạp rotor sẽ quay 30 ñộ theo chiều ñồng hồ ñể cực ñánh dấu Y sẽ thẳng hàng với cực ñánh dấu 2

ðể quay ñộng cơ liên tục ta phải cấp nguồn cho ba cuộn dây một cách tuần

tự Giả sử dùng mức logic 1 tương ứng cấp ñiện cho cuộn dây Hình sau minh hoạ cách ñiều khiển:

có góc bước nhỏ hơn

2.5.3 ðộng cơ ñơn cực

Hình 2.13 ðộng cơ bước ñơn cực

ðộng cơ bước ñơn cực cả nam châm vĩnh cửu lẫn ñộng cơ bước hỗn hợp

có 5 hay 6 ñầu dây thường dùng sơ ñồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây Khi sử dụng các kết nối giữa của cuộn dây thường ñược kết vào nguồn cung cấp dương và hai ñầu của mỗi cuộn dây ñược nối xuống ñất, tuỳ thuộc ñầu vào nối ñất ta sẽ xác ñịnh chiều quay rotor

ðộng cơ mô tả ở trên là loại ñộng cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp mỗi bước tương ứng 30 ñộ Cuộn dây số một của ñộng cơ ñược ñịnh ở giữa cực trên và cực dưới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của ñộng cơ ñược ñịnh giữa cực trái và phải của ñộng cơ Rotor ñộng cơ nam châm vĩnh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc ñược sắp xêp vòng tròn

Cho ñộ phân giải cấp cao hơn rotor ñộng cơ phải có nhiều cực hơn loại ñộng

cơ 30 ñộ cho mỗi bước ở trên là một trong các thiết kế ñộng cơ ñiện phổ biến nhất tuy nhiên loại ñộng cơ 15 hay 7.5 ñộ cho mỗi bước cực có giá trị hơn

Như trong hình vẽ 2.13 minh họa dòng ñiện chạy từ ñiểm giữa cuộn dây tới ñiểm cuối là nguyên nhân gây ra cho ñỉnh của cực stator là bắc trong khi ñó cực dưới là nam, nó hút rotor về vị trí như hình vẽ 2.13 Nếu ta ngưng cấp ñiện cho cuộn thứ nhất và cấp ñiện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 ñộ hay một bước

ðể cho ñộng cơ quay liên tục ta cấp ñiện cho hai cuộn dây tuần tự Hình sau

sẽ minh hoạ cho ñộng cơ quay theo chiều thuận:

Chú ý hai nữa của mỗi cuộn dây không bao giờ ở mức 1 cùng một lúc Cả hai kiểu kích ở trên sẽ làm ñộng cơ quay ở từng thời ñiểm Cách trước chỉ có một cuộn dây kích tại thời ñiểm dẫn do vậy sẽ tốn năng luợng ít hơn ðối với cách hai thì tại một thời ñiểm có hai cuộn dây ñược kích ñồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng lượng hơn Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 mô men gấp 1.4 lần so với cách kích trước (chú ý rằng hai nửa của một cuộn dây không bao giờ ñược kích ñồng thời)

Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta ñược cách ñiều khiển theo kiểu hafl-vòng:

Hình 2.14 ðộng cơ bước lưỡng cực

ðộng cơ nam châm vĩnh cửu ñược cấu tạo với phần cơ giống hệt loại ñơn cực nhưng hai cuộn dây ñược kết nối ñơn giản hơn, không có mối nối ở giữa Như vậy ñộng cơ có cấu tạo ñơn giản hơn tuy nhiên mạch ñiều khiển ñể ñổi chiều quay thì phức tạp hơn nhiều

Mạch ñiều khiển ñộng cơ yêu cầu là mạch ñiều khiển cầu H (H-bridge) cho mỗi cuộn dây Mạch cầu H cung cấp năng lượng 1 cách ñộc lập mỗi ñầu cuộn dây Tín hiệu ñiều khiển tuần tự cho mỗi bước ñộng cơ như sau:

ñộ như là ñộng cơ ñơn cực

2.5.5 ðộng cơ nhiều pha

Hình 2.15 ðộng cơ bước nhiều pha

Loại ñộng cơ này hiếm thấy trong các loại ñộng cơ bước nam châm vĩnh cửu, ñầu của các cuộn dây ñược nối tuần hoàn với một nút giữa hai cặp cuộn dây trên hình tròn Phổ biến nhất là loại 3 pha và 5 pha ðiều khiển ñộng cơ này yêu cầu 1/2

cầu H cho mỗi cực của ñộng cơ, những loại ñộng cơ này có thể cung cấp moment lớn hơn so với những ñộng cơ khác có cùng kích thước ðộng cơ này có 5 pha có thể ñạt tới 0.72 ñộ /vòng hay 500 vòng

Với loại 5 pha ñộng cơ sẽ có 10 bước cho mỗi chu kỳ lặp lại:

ðể nhận ra ñộng cơ này với 5 dây ta thấy từ trở giữa hai ñầu liên tiếp của ñộng cơ là R thì ñiện trở giữa hai cuộn dây không phải liên tiếp là 1.5 R

Chú ý rằng một loại ñộng cơ 5 pha loại này có thể mắc song song với 10

khiển hoặc mỗi cuộn dây ñược ñiều khiển bởi mạch cầu H ñầy ñủ

2.5.6 Các mạch ñiều khiển ñộng cơ bước cơ bản

Ở phần này tôi xin giới thiệu một số mạch ñiều khiển ñộng cơ bước, mạch tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc của từng ñộng cơ khác nhau

2.5.6.1 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước từ trở thay ñổi

Hình 2.16 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước từ trở thay ñổi

Các tín hiệu dùng ñể ñóng mở các khoá cho phép cung cấp ñiện ñộng cơ làm motor quay Trong nhiều trường hợp bộ ñiều khiển là PC hay PLC với một phần mềm thích hợp ñể ñiều khiển ñóng ngắt một cách tuần tự cho phép ñộng cơ quay theo ý muốn

Cuộn dây ñộng cơ, cuộn dây soilenoide và các thiết bị tương tự ñiều gây

ra hiện tượng cảm ứng do ñó dòng ñiện trong cuộn dây không thể tăng giảm một cách ñột ngột khi ta ngắt các khoá analog dòng ñiện không thể về 0 ngay tức thì mà phải mất 1 thời gian nhất ñịnh nào ñó Kết quả là gai ñiện áp xuất hiện làm hỏng các khoá nếu không dùng thiết bị phù hợp Có hai cách ñể khác

ñể khắc phục tình trạng này là mắc ñối song các cực của cuộn dây ñộng cơ với một diode hoặc cách khác là dùng tụ

Diode ở trên cho phép dẫn toàn bộ dòng trong mỗi cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn trong thời gian ngắn mỗi khi khoá bị ngắt, dòng ñiện sẽ giảm về 0 Nếu ta dùng

họ diode ít phổ biến như là 1N400X ñược dùng với các khoá ñóng ngắt nhanh thì ta nên dùng tụ mắc song với diode

Tụ ở sơ ñồ trên sẽ ñưa ra một số vấn ñề khi thiết kế Khi nó ñược kích ñóng

tụ xả năng lượng qua khoá xuống ñất và khoá phải chịu ñược các xung áp khi tụ xả trong một thời gian ngắn

ðiện trở trong mạch và nguồn cung cấp sẽ giới hạn dòng này Khi khóa ñược mở năng lượng tích trữ trong cuộn dây motor sẽ nạp năng lượng cho tụ có ñặc tính là áp cao hơn nguồn và khoá phải chịu ñược áp này

C: Giá trị tụ ñiện (F)

V: ðiện áp ñặc lên tụ (V)

L: Trở kháng cuộn dây (H)

I: Dòng qua cuộn dây (A)

Vb: ðiện áp ñánh thủng của khóa

Vs:Áp nguồn cung cấp

ðộng cơ bước từ trở thay ñổi tuỳ thuộc vào góc cắt như vậy khi thiết kế ta chỉ có thể chọn giá trị của tụ chứ không tính toán chính xác ñược Thêm vào ñó ta không phải lúc nào cũng xác ñịnh ñược ñộ tự cảm của cuộn dây

Nếu tụ ñiện và cuộn dây của ñộng cơ ñược nối mạch cộng hưởng dòng ñiện

sẽ chạy qua cuộn dây của ñộng cơ và như vậy moment ngoài của ñộng cơ sẽ khác trạng thái tĩnh của moment Tần số cộng hưởng sẽ là:

Hình 2.17 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước có gắn diode

Khi hai hiện tượng xảy ra gần nhau nó làm giảm moment ñộng cơ về 0 một cách chanh chóng

2.5.6.2 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước nam châm vĩnh cửu và ñộng cơ hỗn hợp

Hình 2.18 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước nam châm vĩnh cửu và ñộng cơ hỗn hợp

Cũng tương tự như trên bộ ñiều khiển sẽ gửi tín hiệu ñiều khiển tương ứng ñể ñóng hay mở các khoá cho phép năng lượng cung cấp cho các cuộn dây một cách tuần tự

Với mạch ñiều khiển ñộng cơ bước từ trở thay ñổi chúng sinh dòng ñiện cảm ứng làm hỏng khoá khi khoá bị khích ngắt ta phải mắt thêm 4 diode như sau:

Hình 2.19 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước có gắn thêm cuộn cảm

Các diode thêm vào là bắt buộc bởi vì cuộn dây của ñộng cơ không là hai phần ñiện cảm riêng biệt, chúng ñược nối chung với nhau như hình vẽ và ñược nối với một ñiện áp cố ñịnh Trong hai ñầu dây còn lại nếu một ñầu ñược ñưa xuống mức thấp thì ñầu còn lại phải ñưa lên mức cao và ngược lại Khi một khoá ñang chuyển từ trạng thái ñóng sang trạng thái ngắt thì dòng ñiện cảm ứng sinh ra có thể làm hư mạch, ñiều này ñược hạn chế bằng diode

Một tụ ñiện cũng có thể ñược sử dụng ñể hạn chế ñiều trên:

Hình 2.20 Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước có gắn thêm tụ ñiện