Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens

LỜI NÓI ĐẦU

rong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước thời kỳ công nghiệphoá-hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn.Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước nhữngnhiệm vụ nặng nề Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt huyết của nhữngtrí thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tương lai Với sự phát triển nhanh chóng của cuộc cáchmạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tự động hóa - tin học nóiriêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày

Vì thời gian nghiên cứu và điều kiện thực hiện hạn chế nên chắc chắn không tránhđược các sai sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô và các bạn để đề tàiđược hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện

Biện Quốc Thoại

LỜI CẢM ƠN

Để đề tài tốt nghiệp“Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC

kết hợp WinCC-Flexible Siemens” đạt được một số mục tiêu đặt ra, hoàn thành đúng thời

gian, Tôi xin chân thành cảm ơn:

TS Nguyễn Minh Tâm-GVHD -trưởng Bộ môn Tự động hoá công nghiệp-giảng viên

Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ bảo,giúp đỡ về chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ về tài liệu và thiết bị hướng dẫn trongthời gian thực hiện đề tài để tôi hoàn thành đồ án này

- Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của toàn thể Giáo Viên

Bộ môn Tự động hoá Công nghiệp, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Tp Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo mọi điều kiện tốt nhất để để em hoàn thành

đề tài này một cách tốt nhất

- Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 05118 đã giúp đỡ và đóng góp ý

kiến và động viên trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của quý thầy cô và các bạn

Người thực hiện

Biện Quốc Thoại

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SINH VIÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG

HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: Biện Quốc Thoại MSSV: 05118051

TÊN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ AC-SERVO BẰNG PLC KẾT HỢP WINCC-FLEXIBLE

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

NGÀY HOÀN THÀNH LUẬN VĂN:

HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PHẦN HƯỚNG DẪN 1) 1)

2) 2)

3) 3)

Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua

Ngày tháng năm 2010

( Ký và ghi rõ họ và tên) ( Ký và ghi rõ họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

  

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

  

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Lời cảm ơn 2

Nhiệm vụ luận văn 3

Nhận xét của GVHD 4

Nhận xét của GVPB 5

Mục lục 6

PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 11

I Lý do chọn đề tài 12

II Mục tiêu nghiên cứu 12

III Giới hạn nghiên cứu 13

IV Nhiệm vụ nghiên cứu 13

V Đối tượng nghiên cứu 13

VI Phương pháp nghiên cứu 14

VII Nội dung của đề tài 14

PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 15

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ LUẬN 16

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ 16

1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG 16

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO 17

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP: 17

2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop): 17

2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop): 18

2.1.3 Điều khiển vòng kín(full-closed loop): 18

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG SERVO: 19

2.2.2 Hệ thống servo: 20

2.2.2.1 Hệ thống servo là gì?: 21

2.2.2.2 Cơ cấu định vị: 21

2.2.2.3 Cơ cấu chuyển động định hướng: 21

2.2.2.4 Backlash và hiệu chỉnh: 22

2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo: 23

2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 24

2.3.1 Cấu tạo: 24

2.3.2 Đặc tính của động cơ servo: 25

2.3.2.1 Tăng tốc độ đáp ứng: 25

2.3.2.2 Tăng khả năng đáp ứng: 26

2.3.2.3 Mở rộng vùng điều khiển(control range): 26

2.3.2.1 Khả năng ổn định tốc độ: 27

2.3.2.1 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ: 27

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của encoder: 28

2.4 TÌM HIỂU VỀ DÒNG SẢN PHẨM SIGMA AC-SEVO CỦA YASKAWA 30

2.4.1 Động cơ Ac-Servo (SGM-******) 30

2.4.1.1 Sơ đồ cấu trúc động cơ Ac-Servo (SGM-******) 30

2.4.1.2 Thông số động cơ 31

2.4.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ 31

2.4.2 Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK (SGD*-***S) 31

2.4.12.1 Thông số bộ điều khiển driver SERVOPACK (SGD*-****) 32

2.4.12.2 Sơ đồ chân của driver SERVOPACK (SGD-02AS) 33 2.4.12.3 Nguyên lý điều khiển của driver trong mod điều khiển tốc độ

và moment 35

2.4.3 Màng hình điều khiển DIGITAL OPERATOR (JUSP-OP02A, JUSP-OP03A) 39

2.4.3.1 Thông số của màng hình điều khiển Digital Oprater OP02A, JUSP-OP03A) 40

2.4.3.2 Chức năng và hướng dẫn sử dụng Digital Oprater (JUSP-OP02A) 40

2.4.3.3 Cài đặt thông số cho mod tốc độ và moment với màng hình điều khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A, JUSP-OP03A) 46

2.4.4 Kết nối động cơ Ac-Servo (SGM-******) và với màng hình điều khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A) với driver SERVOPACK (SGD*-****) 50

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC 52

3.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7_200 3.1.1 Đặc điểm bộ điều khiển loic khả trình (PLC): 52

3.1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200 52

3.1.3 Cấu trúc bộ nhớ S7-200 52

3.1.4 Xử lý chương trình 53

3.1.5 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành 54

3.2. BỘ ĐẾM XUNG TỐC ĐỘ CAO ( HSC: HIGHT SPEED COUNTER) 3.2.1 Giới thiệu về HSC 55

3.2.2 Số lượng bộ đếm HSC có trong PLC và tần số tối đa cho phép 3.2.3 Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC 55

3.2.4 Các mode đếm của bộ đếm 55

3.2.5 Ý nghĩa các bit của byte trạng thái khi lập trình cho HSC 59

3.2.6 Ý nghĩa các bit của byte điều khiển khi lập trình cho HSC 60

3.2.8 Byte trạng thái và byte điều khiển của HSC3,HSC4,HSC5 61

3.2.9 Giá trị tức thời, giá trị đặt 61

3.2.10 Các bước khởi tạo bộ đếm HSC 62

3.3 CHƯƠNG TRÌNH NGẮT .63

3.3.1 Giới thiệu về ngắt trong S7 200 63

3.3.2 Các lệnh sử dụng khi lập trình điều khiển ngắt 63

3.3.3 Các sự kiện gây ngắt 64

3.3.4 Các bước lập trình khi sử dụng ngắt 64

3.4 MODUL ANALOG ( EM321, EM323) .65

3.4.1 Modul EM231 65

3.4.1.1 Giới thiệu về Modul EM231 65

3.4.1.2 Đọc tín hiệu analog qua modul EM232 66

3.4.2 Modul EM232 67

3.4.1.1 Giới thiệu về Modul EM231 67

3.4.2.2 Xuất tín hiệu analog qua modul EM232 67

3.5 TỔNG QUAN VỀ OPC .67

3.5.1 OPC supermarket Analogy 67

3.5.2 OPC Defined 67

3.5.3 Ứng dụng của việc giao tiếp OPC 68

3.5.4 OPC Server 68

3.5.5 OPC Client 68

3.5.6 Cách thức mà Server và Client làm việc với nhau 69

3.5.7 Tên các cấp bậc trong hệ thống 69

CHƯƠNG IV: WINCC FLEXIBLE VÀ HMI 70

4.1 Giới thiệu về SIMATIC HMI 70

4.2 Giới thiệu về WinCC Flexible 71

4.3 Một số thuộc tính nổi bật trong WinCC Flexible 72

4.3.1 Thiết lập giao thức kết nối 72

4.3.2 Tags và Tags Group 74

4.3.3 Thiết kế giao diện cho HMI 74

4.3.4 Một số hàm sử dụng 75

CHƯƠNG V: ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ 77

5.1 Ưu điểm của đề tài 77

5.2 Ưu điểm của đề tài 77

PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

I Kết luận 79

II Kiến nghị 80

PHẦN 4 : TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ THƯ MỤC ĐÍNH KÈM 81

PHẦN I

ĐẶT VẤN ĐỀ

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

gày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệtrên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu caohơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt

là độ chính xác gia công về hình dáng hình học Sự phát triển của nền công nghiêp bot hiện đại cũng gắn liền với việc điều khiển chuyển động và là tiền đề cho phát triểnnền công nghiệp.Với hệ thống SCADA, khả năng quản lý từ xa toàn bộ hệ thống vàcác thiết bị tự động trong hệ thống trở nên rất hiệu quả Khi có sự cố ở bất kì phânđoạn nào hệ thống sẽ tự động phân tích và gửi về, người vận hành sẽ nhận tín hiệuthông báo qua giao diện người máy( Human Machine Interface, HIM) của các phầnmềm điều khiển chuyên dụng như Wincc hay Wincc-Flexible Người vận hành chỉ cầnngồi tại bàn điều khiển trung tâm, theo dõi và giám sát toàn bộ hệ thống thay vì phảichạy xuống tận chỗ để kiểm tra khi có sự cố xảy ra trong hệ thống Nhận thấy được sựtiện lợi và hiệu quả của hệ thống điều khiển servo trong quá trình sản xuất cũng nhưnhu cầu của xã hội về lĩnh vực này,tôi đã thực hiện đề tài: “Điều khiển vận tốc và mo- ment động cơ AC-Servo bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens” để hiểu rõ hơn vềbản chất của điều khiển tốc độ và moment, hiểu được quy trình điều khiển một hệthống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu

ro-N

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu đặt ra với đề tài “Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC

kết hợp WinCC-Flexible Siemens” là cần nắm vững, hiểu rõ cách thức hoạt động điều khiển

của AC-Servo, hiểu rõ được driver điều khiển động cơ, cách thức điều khiển từ PLC quawinCC Từ mô hình thực tế này tạo giao diện, xây dựng các thuật toán điều khiển và lập trìnhcho bộ động cơ

- Vì lý do kinh tế và điều kiện khách quan, đề tài chỉ dừng lại ở việc làm môhình điều khiển đơn giản để mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống servo.

- Điều khiển tốc độ và moment trên một mô hình nhỏ gồm: PLC SiemensS7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA

- Điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0

- Giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexible bằng phần PCAccess

- Tạo giao diện trên WinCC để điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCCFlexible

IV NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành được mục tiêu đề ra, những nhiệm vụ được đặt ra như sau:

– Tham khảo tài liệu, tìm hiểu về những lĩnh vực có liên quan đến điều khiểntốc độ và moment của động cơ AC-Servo

– Tìm hiểu về PLC-S7200 đấu nối phần cứng và cách thức lập trình, WinCCFlexible cách thức sử dụng và cách tạo giao diện cho một chương trình ứng dụng

– Tìm hiểu cách kết nối giữa PLC-S7200 và bộ động cơ AC-Servo, cách thứcđiều khiển tốc độ và moment của bộ động cơ AC-Servo bằng WinCC Flexible qua PLC-S7200

– Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ

V ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

– PLC Siemens S7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA.– Chương trình điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0.– Thiết lập giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexi-ble bằng phần PC Access

– Tạo giao diện điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCC Flexible

VI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

– Tham khảo, tra cứu thông tin từ các tài liệu khoa học

– Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các máy gia công cơ khí

– Sử dụng các thiết bị điều khiển tự động của hãng Siemens PLC S7-200,servocủa YASKAWA

– Làm mô hình

– Lập trình và mô phỏng trên máy tính

– Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thiết bị của nhà trường

VII NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG1: CƠ SỞ LÝ LUẬN

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC

CHƯƠNG 4:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ

Từ xưa khi chưa có phát minh ra động cơ, lúc đó chủ yếu sử dụng các máy mócchay bằng xăng dầu cấu tạo phức tạp năng nề, cồng kềnh mà lại hiệu suất không, gâytiếng ồn Từ khi động cơ được phát minh và đưa vào sử dụng thay thế cho các máymóc chạy bằng xăng dầu đã đem lại hiệu quả kinh tế cao

Động cơ cũng không ngừng phát triển đa dạng và nhiều chức năng khác nhau,

ví dụ như động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, động cơ không đồng bộ, động cơđồng bộ, động cơ một pha, động cơ ba pha, và trong tất cả các lĩnh vực

Ngày nay về tương lai động cơ được phát theo hướng điều khiển được dễ dàng,chính xác, điều khiển vòng kín (hồi tiếp): động cơ đặc biệt, động cơ bước, động cơservo…

1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG

Hiện nay, tất cả các lĩnh vực điều có sử dụng động cơ Servo, do đó sản phẩmđộng cơ Ac-Servo được sản xuất nhiều, nhiều hãng sản xuất như YASKAWA, PANA-SONIC, OMRON, FANUC….với rất nhiều loại Ac-servo dung vao nhiều mục đích sửdụng khác nhau

Các sản phẩm làm ra từ các máy trong đó có sử dụng động cơ servo thường độchính xác cao và mẫu ma đẹp do đó động cơ servo đuọc sử dụng nhiều đặc biệt trongnghành tự động hoá nói chung và nghành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất các máy giacông chinh xác nói riêng

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU

KHIỂN SERVO

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP:

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với các hệ thống điều khiển.Côngnghệ ngày càng hiện đại đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải đáp ứng được các yêucầu khắt khe để đảm bảo quá trình sản xuất

Sự phát triển các hệ thống điều khiển được tóm tắt như sau:

– Điều khiển vòng hở (open loop)

– Điều khiển nửa kín (semi-closed loop)

– Điều khiển vòng kín(full-closed loop)

Sau đây giới thiệu sơ lược về các nguyên tắc điều khiển

Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thông số X của đối tượng A.Trong trường hợp điều khiển vòng hở thì đối tượng A sẽ được điều khiển mà khôngcần quan tâm đến thông số X và thực tế thì thông số X sẽ được người điều khiển quansát và thao tác để điều khiển đối tượng A

Trong trường hợp semi-closed loop thì hệ thống điều khiển sẽ nhận dạng mộtthông số Y không phải là thông số X nhưng qua nó có thể ước lượng hoặc đại diện cho

X Như vậy tính "quan sát = mắt" được loại bỏ một phần Tuy nhiên sai số của môhình khá cao do các sai số về cơ và điện Mô hình này được áp dụng chủ yếu là lý do

về mặc giá thành hoặc đôi khi thông số X không thể đo đạc được Độ chính xác của nó

dĩ nhiên là cao hơn opened loop

Và cái cuối cùng đó là closed loop, dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng Xđược trực tiếp feedback về hệ thống điều khiển để xử lý

2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):

Bộ điều khiển vị trí chỉ thị lệnh cho động cơ quay, nhưng chỉ quay mà thôi, quaytới quay lùi mà không cần biết quay bao nhiêu vòng cho bàn chạy đến vị trí nào…, nóchỉ dừng khi có tác động từ con người hay từ một hệ thống ra lệnh nào đó bên ngoàinó

2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):

Hình này có điểm khác so với hình trên Đó là số vòng quay của motor được mãhóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí Nghĩa là đến đây thì động cơ chỉ quay một sốvòng nhất định tùy thuộc vào “lệnh” của bộ điều khiển, nói cách khác bộ điều khiển cóthể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồcủa người thiết kế Tuy nhiên cái mà chúng ta cần điều khiển chính là vị trí của bànchạy chứ không phải là việc động cơ quay bao nhiêu vòng thì dừng Đối tượng làcái bàn

2.1.3 Điều khiển vòng kín (full-closed loop):

Hình này rõ ràng là khác hẳn so với 2 hình kia Vòng hồi tiếp lúc này không phảihồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạythông qua một thướt tuyến tính Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòngquay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy Nghĩa là các sai sốtĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ Vòngđiều khiển lệnh và hồi tiếp khép một vòng kín quét lên toàn bộ thiết bị liên quan chonên nó được gọi là vòng kín

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐỘNG CƠ SERVO:

2.2.1 Xu hướng trong điều khiển chuyển động dùng servo:

Điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) có lẽ là một trong những lĩnh vực đa dạng vàphát triển nhanh nhất trong ngành điều khiển và tự động hoá Các khái niệm và côngnghệ ĐKCĐ đã từ lâu không chỉ gói gọn trong những hệ thống servo chuyên dụngđiều khiển bởi các hệ truyền động và thiết bị tạo sẵn thường có giá khá cao Thay vào

đó, ngày nay ta còn thấy các tính năng của ĐKCĐ ứng dụng cả cho tốc độ và vị trítrong truyền động thay đổi tần số xoay chiều, các động cơ bước và truyền động vòngkín cũng như các hệ truyền động và động cơ servo AC và DC thông dụng khác

Hiện nay có một số xu hướng trong điều khiển động cơ Trong một số trườnghợp, vấn đề cần quan tâm chỉ đơn giản là điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen hoặc cácthuộc tính khác của động cơ trên cơ sở tín hiệu điều khiển đầu vào là từ phía conngười, chẳng hạn như qua bảng điều khiển Việc điều khiển bằng tay như vậy thuộc vềphạm trù điều khiển vòng hở Trong một số trường hợp khác, động cơ phải tự độngđưa ra các đáp ứng với các tác động thời gian thực Các đáp ứng đối với các tác độngnày được quan sát và các điều chỉnh cần thiết được tự động tạo ra Vì vậy, nó tạo ramột môi trường điều khiển kín Các điều khiển vòng lặp kín như vậy được gọi là hệtùy động servo, hay chỉ đơn giản là servo

Điều khiển servo là một quá trình xử lý tín hiệu liên quan đến điều khiển động

cơ trên cơ sở động học của các tín hiệu vào như vị trí, tốc độ hay mômen Trong quákhứ người ta sử dụng các mạch tương tự để thực hiện điều khiển servo, nhưng khảnăng thích nghi của các bộ vi xử lý tín hiệu số đã tạo ra một công nghệ mới cho sự lựachọn trong nhiều ứng dụng

2.2.2 Hệ thống servo:

2.2.2.1 Hệ thống servo là gì?

Servo bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là Servus (servant), nghĩa là nô lệ, đày tớ.Một hệ thống được gọi là servo khi hệ thống đó chấp hành một cách chính xácmệnh lệnh của chủ nhân (tức là người điều khiển.Hệ thống servo là hệ thống điềukhiển các thiết bị cơ học với các biến là biến vị trí và tốc độ (giá trị đặt và giá trịthực) Sau đây là một ví dụ minh họa

2.2.2.2 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 servobây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vịtrí và tốc độ

Cơ cấu định vị điều khiển bởi servo motor

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

2.2.2.3 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)

2.2.2.4 Backlash và hiệu chỉnh:

Backlash hiểu nôm na đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo.Tất cảcác thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiềudương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0).Xét một chuyển động tịnh tiến lùi và tới như trong hình sau:

Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo Chuyển độngtới và lùi được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình Như vậy động cơ sẽ quaytheo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanhquét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không được vượt quá khoản trống (đây là mộttrong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo) Giới hạn này đượcgọi là backlash, từ nay hễ gặp từ backlash thì chắc các bạn đã hiểu nó là cái gì rồi đúngkhông Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượttrựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không cómột sự bù trừ cho nó Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiệnviệc bù trừ, hiệu chỉnh này Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệuchỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽkhông được tính đến trong bộ đếm xung

2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo:

Sau đây là một sơ đồ khối hệ truyền động servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốcđộ

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 nhauđôi chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau Sau đây là một số ví dụ vềphần D, E thường gặp:

2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO:

2.3.1 Cấu tạo:

Động cơ servo về nguyên lý, cấu tạo phần điện - từ thì giống như các loại động

cơ bình thường (nghĩa là cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, cách đấudây, v.v.) nhưng có sự khác biệt về cấu trúc cơ học, đó là động cơ servo có hình dángdài, đường kính trục và rotor nhỏ hơn động cơ thường cùng công suất, moment

Điểm nổi bật của 1 servo motor là tích hợp sẵn cơ cấu feedback vào bên trongđộng cơ Động cơ servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín Từ tín hiệu hồitiếp vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển họat động của một động cơservo Với lý do nêu trên nên sensor đo vị trí hoặc tốc độ (encoder hoặc máy phát tốc)

là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho một động cơ servo

Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ servo AC dựatrên nền tảng động cơ AC lồng sóc; Động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC;

và động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ, vàđộng cơ đồng bộ

Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo Động cơservo 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 …) Tuynhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho nhữngmục đích đặc biệt) so với động cơ thường để phục vụ cho các mục đích điều khiển cụthể

2.3.2 Đặc tính của động cơ servo:

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu racủa động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển độngquay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mongmuốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính

Đặc tính vận hành của một động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ vàphương pháp điều khiển động cơ servo

2.3.2.1 Tăng tốc độ đáp ứng:

Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần cómột khoản thời gian quá độ Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phảităng/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 Ví dụ bạn 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 tốclớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để cóthể 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 cầutrên 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 bỏcác cơ cấu sắt không cần thiết Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụngsắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp Đối với động cơnam 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 hiếmrare earth magnet).

2.3.2.3 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 hơnđịnh mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằngđiện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp địnhmức

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựnghoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ (nghĩa là động cơ làm việc ở đoạnphía dưới cách xa đoạn định mức Như vậy động cơ servo thuộc loại này phải đượctăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare earth)

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

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 khá cao Các động cơ servo loại này thường được sử dụngtrong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot) Nó được thiết kế sao cho cóthể gia tăng được dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ Cácrãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố tríkhác đặc biệt để có thể đáp ứng được yêu cầu này Một hình ảnh minh hoạ

2.3.2.5 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 hiệuđiều khiển ở tần số rất và có khả năng chịu được được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ

từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao) Những động cơ như thế nàythường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sự haomòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đối với DC)

Một động cơ servo có thể một số đặc điểm trên để phù hợp với nhu cầu điềukhiển của người điều khiển

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của encoder:

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể làbánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder (tuyệt đối) và incremental encoer(tương đối)

Encoder tuyệt đối chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gìthêm, cũng biết chính xác vị trí của encoder ,encoder tương đối chỉ có 1, 2, hoặc tối đa

là 3 vòng lỗ Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1

Do vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị) do đókhông thể cho ta biết chính xác vị trí

Việc thiết kế encoder tuyệt đối cần quá nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kíchthước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thựchiện được Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởngrất lớn đến kích thước giới hạn này nên trong đa số các Motor, incremental optical en-coder được dùng và mô hình động cơ servo trong bài này cũng không ngoại lệ

 Sự khác biệt giữa absolute encoder và incremental encoder:

Absolute encoder sẽ theo dõi vị trí trục động cơ ngay cả khi hệ thống

bị mất điện và một số chuyển động xảy ra trong thời gian đó Incremental encoder là

không có khả năng trên

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trênđĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗkhông có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽchiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Vớicác tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led cóchiếu qua lỗ hay không

Hình 2 Optical Encoder

hình 2 bạn thấy hãy chú ý một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thudành riêng cho lỗ nhỏ này Đó là kênh I của encoder Cữ mỗi lần motor quay được mộtvòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyênqua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế kênh Ixuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Bên ngoài đĩa quay được chia thànhcác rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này

Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểmkhác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A N là sốrãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder Mỗi loại encoder có

độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợpđến hàng nghìn rãnh được chia Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải củaencoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cảphương pháp điều khiển Không được vẽ trong hình 2, tuy nhiên trên các encoder còn

có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch mộtchút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder Tín hiệu xung từ kênh B có cùngtần số với kênh A nhưng lệch pha 90 độ Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc

sẽ biết chiều quay của động cơ Hãy quan sát hình 3

Hình 3 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder Hình trên cùng trong hình 3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệchpha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồngngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trườnghợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quansát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mứcthấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải quatrái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao Như vậy, bằngcách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không

những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay củađộng cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A). 

2.4 TÌM HIỂU VỀ DÒNG SẢN PHẨM SIGMA AC-SERVO CỦA YASKAWA (SGD*-***s):

2.4.1 Động cơ Ac-Servo (SGM-******):

2.4.1.1 Sơ đồ cấu trúc động cơ Ac-Servo (SGM-******):

AC-Servo motor được chia thành hai loại: động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng Loạiđồng bộ thường được sử dụng nhiều hơn Đối với động cơ loại đồng bộ tốc độ của mo-tor được điều khiển bởi sự thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều Động cơ loạiđồng bộ có một moment giữ mạnh khi động cơ dừng và hơn nữa loại này có thể sửdụng khi đòi hỏi điều khiển vị trí chính xác, loại này thường sử dụng cho servo điềukhiển vị trí Hình minh họa theo sau là cấu trúc bên trong của một động AC-Servo loạiđồng bộ

Nhãn của động cơ cho ta các thông số kĩ thuật của động cơ

2.4.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ:

Được điều khiển từ bộ driver của động cơ servopack

Tính hiệu hồi tiếp của động cơ nhờ encoder đưa về driver Driver xử lý tín hiệuhồi tiếp để và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ

2.4.2 Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK (SGD*-****):

2.4.2.1 Thông số bộ điều khiển driver SERVOPACK (SGD*-****):

Nhãn của DRIVER cho ta các thông số kĩ thuật của DRIVER:

2.4.2.2 Sơ đồ chân của driver SERVOPACK(SGD-02AS):

Sơ đồ chân được chia làm 3 nhóm chính:

Nhóm 1 : chân tín hiệu điều khiển

COM+,COM_:chân nguồnSV-ON: cho phép động cơ làm việcP-CON: chọn mod điều khiểnP-NL: mod điều khiển

N-NL: mod điều khiểnCL:xóa bộ đếm

SV-RST:chân reset lỗi P-OT,N-OT:chân công tắc hành trình thuận và nghịch

Nhóm 2: chân tín hiệu đèn báo

SV-ALM:đèn báo trạng thái lỗiV-CMP: đèn báo vận tốc

TGON:đèn báo mod vận tốc ALM1: mod trạng thái lỗiALM2: mod trạng thái lỗiALM2: mod trạng thái lỗi

Nhóm 3: chân tín hiệu encoder :

OA+, OA_: Tín hiệu ngõ ra kênh A

OB+ ,OB_: Tín hiệu ngõ ra kênh B

OC+, OC_: Tín hiệu ngõ ra kênh C Các tín hiệu phản hồi từ encoder gửi về driver qua một cổng đệm và được driver

xử lý và được đưa về bộ điều khiển trung tâm(PLC)

 Sơ đồ tổng quát của một bộ AC-Servo:



2.4.2.3 Nguyên lý điều khiển của driver trong Mod điều khiển tốc độ

từ PLC và tín hiệu phản hồi từ đó đưa ra hướng xử lý

Tín hiệu điều khiển vận tốc va moment là tín hiệu điện áp analog được đưa trựctiếp đến các chân V-ref và T-ref Tùy thuộc vào giá trị nguồn mà cài đặt thông số độlợi cho thích hợp

Phụ thuộc vào việc cài đặt thông số trong Mod điều khiển tốc độ và moment màcác chân tín hiệu V-ref và T-ref có các ngưỡng điều khiển khác nhau, từng chế độđiều khiển khác nhau

Một số cài đặt cho mode điều khiển tốc độ và moment:

Tín hiệu

điện áp

analog

từ PLC

 Mode điều khiển 3 cấp tốc độ:

Chủ yếu sử dụng 3 chân P-CON, P-NL, N-NL

Quá trình set các thông số được thể hiện ở bảng:

Thông số hằng số Cn-02 bit 2 thể hiện ở bản sau:

Kết hợp với cài đặt các cấp tốc độ cho các hằng số Cn-19, Cn-20, Cn-21:

2.4.3 Màn hình điều khiển Digital Operator OP02A,JUSP-OP03A):

2.4.3.1 Thông số của màng hình điều khiển Digital Operator OP02A,JUSP-OP03A):

2.4.3.2 Chức năng và hướng dẫn sử dụng Digital Oprater OP02A):

(JUSP-Màn hình hiển thị của màn hình điền khiển Digital Operator cho ta các thôngtin về Mod điều khiển, các tín hiệu đầu vào vị trí,tốc độ,moment,sự cố lỗi và cho phépcài đặt các thông số

Gắng cáp từ màng hình điều khiển vào cổng CN3 của driver servopack

Trên màng hình điều khiển có các nút nhấn với chức năng như sau:

RESET: xoá đèn cảnh báo, reset cảnh báoJOG-SVON: tắt/mở servo

DSPL/SET: mod chỉnh chế độ hiển thịDATA/ENTER: nut chọn ( chấp nhận) khi cài đặt

, , , : điều chỉnh vị trí số cần chỉnh hoặc tăng/giảm số

: màng hình hiển thị thông số

Ý nghĩa hiển thị của các bit trên màng hình hiển thị thông số: