TÌM HIỂU VỀ HỆ TĐĐ SERVO

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,đặc biệt là ngành điện-tựđộng hóa đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp.Đối với điều khiển chuyển độngtrong các hệ thống yêu cầu độ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

ĐỒ ÁN

MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI:TÌM HIỂU VỀ HỆ TĐĐ SERVO

Giáo viên hướng dẫn : THs Nguyễn Đăng Khang

Nhóm sinh viên thực hiện : 1 Nguyễn Thanh Hiếu

2.Trần Văn Thái

3 Cao Xuân Hướng

4.Phan Thanh Liêm

Tháng 12 năm 2012

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

e&f

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,đặc biệt là ngành điện-tựđộng hóa đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp.Đối với điều khiển chuyển độngtrong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao,việc điều khiển tốc độ hay vị trí củacác cơ cấu cơ học là hết sức quan trọng.

Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, được sử dụng rất rộng rãitrong các lĩnh vực.Chính vì thế việc điều khiển động cơ và ghép nối chúng thànhmột hệ truyền động tự động là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ.Sau một thời gian làm việc,nghiên cứu,tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài

“Tìm hiểu về Hệ TĐĐ servo”.Bài làm còn dựa trên nhiều lý thuyết,vì vậy chúng

em đang hoàn thiện và cố gắng thực hiện trong thực tế

Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN ĐĂNG KHANG và các thầy cô trong bộmôn đã giúp nhóm em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐĐ SERVO 3

1 Hệ tđđ servo 3

2 Đặc điểm hệ tđđ servo 8

CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO 11

1 Sơ đồ khối 11

2 Sơ đồ nguyên lí 11

2.1 Các phần củamột dc servo 12

2.2 Servo vàđiềubiếnđộrộngxung 12

2.3 Điềukhiển servo 14

3 Cácmạchvòngđiềukhiển 15

CHƯƠNG III:TÌM HIỂU VỀ AC SERVO MOTOR VÀ DRIVER SGDHSIGMA II-YASKAWA 16

1 Thông số kĩ thuật 16

1.1 Sự khác biệt so với motor thường 17

1.2 Các loại và tính năng của servo motor 20

1.3 Servo Amplifiers 24

2 Sơ đồ đấu dây 27

3 Thông số cài đặt và tham số 32

3.1 Cài đặt theo đặc điểm thiết bị 33

3.2 Cài đặt theo máy chủ điều khiển 40

3.3 Thiết lập Servo Amplifiers 55

3.4 Thiết lập chức năng dừng 58

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG SERVO MOTOR 61

4.1 Làm phim 62

4.2 Máy hàn 63

4.3 Băng tải 64

4.4 Máy khoan 65

4.5 Máy dán nhãn 66

4.6 Hướng phát triển 69

CHƯƠNG V KẾT LUẬN 70

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TĐĐ SERVO

1 Hệ TĐĐ servo.

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 điềukhiển 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

Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đich và tốc độ của cơ cấu chấp hành.

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 độngcủa 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 chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽ không được tính đến trong bộ đếm xung

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 thông 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:

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

Hiện tại có thể coi các thông số danh định sau đây là giá trị định hướng cho hệ

TĐ Servo:

+Mômen quay danh định Mb: tới 200 Nm (đôi khi có thể tới 500 Nm)

+Quá tải mômen quay Mmax/Mb: 3 10

+Giới hạn trên của tốc độ quay Nmax: 20.000 min-1

+Độ phân giải đo vị trí trục động cơ: tối đa 4.600.000 bước ứng với 0.00010

+Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn bảo đảm quay tròn đều: 0.01 min-1

+Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số: 0.1 µm

2.2Một số đòi hỏi khác về kết cấu đối với hệ TĐServo:

Thoát nhiệt tốt kể cả ở trạng thái đứng im (dự kiến sẵn làm mát độc lập)

Ngăn ngừa truyền nhiệt qua trục động cơ tới đối tượng TĐ (tới phụ tải)

(đòi hỏi về cấp chính xác đối với máy công cụ, động cơ KĐB bất lợi với vai trò động cơ ĐK vì có tổn thất lớn trong Rotor)

Sự đồng đều của chuyển động (trước hết ở tốc độ quay nhỏ)

Tích hợp động cơ ĐK trực tiếp vào đối tượng TĐ

(kết cấu gọn,

bền)

Tích hợp khâu đo tốc độ quay và vị trí vào

động cơ ĐK(tiết kiệm không gian và hạ giá

thành)

Hình 2:Tích hợp động cơ và cảm

biến đo vị trí,đo tốc độ quay(nhỏ

gọn,giá thành hạ)

Hình 3:Tích hợp động cơ điều khiển và trục vit bi thành hệ truyền động tuyến tính giả

CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO1.Sơ đồ khối.

Hình 4:Sơ đồ khối của hệ truyền động servo

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.Khi động cơ quay, vận tốc

và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ

- Hộp giảm tốc (gear box)

- Mạch điều khiển ( Electronic board)

- Vỏ (cover)

- Dây tín hiệu ( signal wire)

Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín.Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 - 7.2 V).

Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển Tín hiệu này khởi động động

cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trítrục 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 chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước

Công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng

từ 900- 1800 Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng…

2.2 Servo và điều biến độ rộng xung.

Trục của động cơ servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ rộng xung (PWM).Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biếnđổi từ 1 - 2 ms Các xung này được gởi đi 50 lần/giây Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung.Servo đòi hỏi khoảng 30 - 60 xung/giây.Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm

Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là

chiều kim đồng hồ như Hình 5)

Hình 5Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển.

Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến.Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp.Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến.Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt.Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc.Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn - một servo trung bình có thể quay 60o trong vòng ¼ - ½ giây.Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 - 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp.Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới và lui từ 900 - 1800 khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung Phần lớn servo có thể quay được 1800 hay gần 1800

Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó , trục ra của động cơ sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động cơ bị phá hủy

Hình 6:Mạch điện tử servo anlog

2.3.Điều khiển servo.

.Hình 7: Điều khiển servo sử dụng AVR

3.Các mạch vòng điều khiển.

3.1.Mạch vòng điều khiển tốc độ.

3.2.Mạch vòng điều khiển mômen.

3.3.Mạch vòng điều khiển vị trí.

CHƯƠNG 3:Tìm hiểu về AC Servo motor và DriverSGDH Sigma II

-Yaskawa 1.Thông số kỹ thuật.

Hình thức bên ngoài và tên

Mẫu số

Tiêu chuẩn servomotor

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

đối

chuẩn

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 - - Tiêu

chuẩn

Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn

1.1.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 nóđược 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 ngắnnhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất 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).

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 loạinày 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

1.2.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:

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

Mẫu số

Công suất tối đa áp dụng Servomotor

Công suất tối đa áp dụng Servomotor

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

2.Sơ đồ đấu dây.

2.1 Kết nối đến thiết bị ngoại vi

Phần này cung cấp các ví dụ về tiêu chuẩn sản phẩm Sigma II Series kết nối thiết bị ngoại vi

2.1.1 Một pha (100V hoặc 200V) thông số kỹ thuật vi mạch chính

1-Máy cắt(MCCB): Bảo vệ dòng điện bằng cách đóng cửa OFF mạch khi quá dòng đượcphát hiện.

2-Chống nhiễu: Được sử dụng để loại bỏ nhiễu bên ngoài từ dòng điện

3-Công tắc tơ điện từ: (HI Series)

Thay đổi servo ON và OFF.Cài đặt một áp tăng trên contactor từ

4-Phanh nguồn cung cấp: Được sử dụng cho một servomotor với một phanh

5-Điện trở tái tạo: Kết nối một điện trở bên ngoài để tái tạo thiết bị đầu cuối B1 và B2 nếu khả năng tái tạo là không đủ

6-Cáp kết nối encoder

7-Điều hành kỹ thuật số,Máy tính cá nhânJUSP-OPO2A-1 và JZSP-CMS00-1 (cáp)

Cho phép người dùng thiết lập các thông số, hoạt động tham chiếu và để hiển thị hoạtđộng hoặc tình trạng báo động

Thông tin liên lạc và kiểm soát cũng có thể với một máy tính cá nhân

8-Máy điều khiển chủ:Kết nối servo SGDH amplifier đến máy chủ điều khiển lưu trữ

2.1.2 Ba pha (200V) thông số kỹ thuật vi mạch chính

8

1

3

64

1-Máy cắt(MCCB): Bảo vệ dòng điện bằng cách đóng tiếp điểm OFF mạch khi quá dòngđược phát hiện

2-Chống nhiễu: Được sử dụng để loại bỏ nhiễu bên ngoài từ dòng điện

3-Công tắc tơ điện từ: (HI Series)

Thay đổi servo ON và OFF.Cài đặt một áp tăng trên contactor từ

4-Phanh nguồn cung cấp: Được sử dụng cho một servomotor vớimột phanh

5-Điện trở tái tạo: Kết nối một điện trở bên ngoài để tái tạo thiết bị đầu cuối B1 và B2 nếu khả năng tái tạo là không đủ

6-Cáp kết nối encoder

7-Điều hành kỹ thuật số,Máy tính cá nhânJUSP-OPO2A-1 và JZSP-CMS00-1 (cáp)

Cho phép người dùng thiết lập các thông số, hoạt động tham chiếu và để hiển thị hoạtđộng hoặc tình trạng báo động

Thông tin liên lạc và kiểm soát cũng có thể với một máy tính cá nhân

8-Máy điều khiển chủ:Kết nối servo SGDH amplifier đếnmáy chủ điều khiển lưu trữ Yaskawa hoặc được thực hiện bởi một công ty khác

2.1.3 Ba pha (400V) Thông số kỹ thuật vi mạch chính

1. 9

2

3 8