Thiết kế và hoàn thiện mô hình KIT thực tập servo motor và driver

Thiết kế và hoàn thiện mô hình KIT thực tập servo motor và driver

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ SERVO MOTOR VÀ DRIVER

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tínhiệu 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 mongmuốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi.Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi

Hình 1 Một số loại động cơ Servo trên thị trường hiện nay.

Có 3 loại động cơ servo sử dụng rộng rãi hiện nay:

- Động cơ servo DC : Dựa trên nền tảng động cơ DC tức là động cơ DC có

bộ điều khiển hồi tiếp

Hình 2 Ảnh minh họa 1 động cơ DC servo.

Hình 3 Cấu trúc cơ bản 1 động cơ DC servo.

- Động cơ servo R/C(Radio-Controlled) : Là động cơ servo được điều khiển bằng liên lạc vô tuyến(điều khiển từ xa) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên các mô hình máy bay, xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này

Hình 4 Ảnh minh họa 1 động cơ RC servo.

Hình 5 Cấu trúc cơ bản động cơ R/C servo.

- Động cơ servo AC Động cơ AC Servo được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, trong các nhà máy tự động mà cụ thể là điều khiển vị trí, vận tốc các cơ cấu servo, robot, chuyển động chạy dao trong máy CNC…

Hình 6 Ảnh minh họa 1 động cơ AC servo.

- Động cơ AC servo dựa trên nền tảng là động cơ xoay chiều 3 pha Động cơ xoay chiều 3 pha làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Khi cấp điện áp xoay chiều 3 pha vào động cơ, trong stato xuất hiện từ trường quay, từ trường này tác động lên roto làm roto quay theo

Hình 7 Stato và dòng điện 3 pha.

Hình 8 Cấu trúc cơ bản 1 động cơ AC servo.

1.3 Động cơ AC servo Σ – L Series SGML của hãng Yaskawa Nhật Bản.

Hình 9 Động cơ AC servo Yaskawa SGML-02AF12

1.3.1 Thông số kĩ thuật

Bảng thông số sản phẩm của dòng SGM servo motor:

1.3.2 Cấu trúc chi tiết

Hình 10 Cấu trúc chi tiết động cơ AC servo dòng SGML.

1.3.3 Kết nối với Driver(servopack)

Động cơ AC servo kết nối với Driver bằng 2 đường cáp chính:

- Một là đường cáp nguồn C4: gồm 4 sợi dây như hình dưới

Hình 11 Sơ đồ chân đầu cáp C4.

- Chức năng các chân của đầu cáp C4(nối trực tiếp vào Driver):

- Hai là đường cáp tín hiệu C9 của Encoder nối với cáp CN2 của Driver, là 1 cổng kết nối có 9 lỗ:

Hình 12 Sơ đồ chân đầu cáp C9.

- Chức năng các chân của đầu cáp C9 và C9N(2 đầu cáp này nối với nhau):

- Cáp C9 được nối với đầu cáp C9N của Driver:

Hình 13 Sơ đồ chân đầu cáp C9N.

- Cuối dây cáp này là đầu cáp CN1 của Driver Dưới đây là hình và thứ tự chân của đầu cáp CN2 :

Hình 14 Sơ đồ chân đầu cáp 2CN.

- Chức năng các chân của đầu cáp CN2 :

 Sơ đồ kết nối với Driver :

- Cáp C4 gồm 4 sợi dây U,V,W và GND sẽ được nối với driver theo thứ tự như hình dưới

- Đầu cáp C9 kết nối với đầu cáp C9N được chuyển qua đều cáp CN2 và kết nối với driver ở vị trí CN2 như hình dưới

Hình 15 Sơ đồ kết nối dây với Driver.

- Như vậy động cơ AC servo nhận nguồn cấp từ cáp C4 để hoạt động Đồng thời encoder cũng xuất tín hiệu hồi tiếp qua cáp CN2 về Driver để xử lý và điều khiển hoạt động của động cơ

1.4 Servopack(Driver)

Hình 16 Servopack SGDL - 01AS.

- Sơ lược Diver Σ – L Series SGDL - 01AS của hãng Yaskawa - Nhật Bản

- Bộ Diver SGDL - 01AS là bộ điều khiển tốc độ/Mômen động cơ AC servo với độ chính xác và tốc độ cao

- Hỗ trợ cài đặt và điều khiển bằng màn hình Operator

- Sử dụng connector CN1 36 cổng với 30 cổng giao tiếp bên ngoài

- 24 thông số từ Cn00 - Cn23 có thể cài đặt hỗ trợ vận hành động cơ servo

- Điều khiển động cơ AC servo với 3 cấp tốc độ.

Hình 17 Sơ đồ cấu tạo của Driver

1.4.4 Sơ đồ kết nối bên ngoài của Driver

Hình 18 Sơ đồ kết nối Driver với các cổng và thiết bị bên ngoài.

 Sơ đồ chân của connector CN1:

Hình 19 Sơ đồ chân của Connector CN1.

 Chức năng các chân của Connector CN1:

1.5 Hướng dẫn sử dụng cơ bản màn hình Operator OP03A.

Hình 20 Màn hình Operator OP03A dùng để cài đặt và điều khiển.

- Màn hình OP03A được dùng để cài đặt các giá trị cho Driver nhằm điều khiển động cơ Servo theo ý huốn hoặc dùng trực tiếp màn hình này để điều khiển động

cơ servo thông qua Driver

 Sau đây là phần hướng dẫn sử dụng màn hình Operator OP03A

- Nhấn phím MODE/SET để chọn chế độ cài đặt

- Dùng các phím tăng giảm để điều chỉnh chế độ và các thông số

- Nhấn phím DATA nếu muốn cài đặt thông số của 1 chế độ đã chọn

 Phân tích các Dấu hiệu trên màn hình

 Mô tả các kí hiệu:

 Những mã thường gặp

 Cách chọn và thay đổi các thông số của từng chế độ

- Ấn phím và để thay đổi dữ liệu

của thông số đang chọn

- Ấn phím để lưu thông số giá trị cài đặt

Đèn led sẽ nhấp nháy, biểu hiện thông tin đã được lưu

- Ấn phím lần nữa để quay về chế độ cài đặt thông số Cn

- Với những hướng dẫn trên, chúng ta đã có thể sử dụng màn hình Operator OP03A để cài đặt những thông số đơn giản

1.5.1 Bảng cài đặt thông số tiêu chuẩn của nhà sàn xuất.

Servopack SGDL được thiết kế để có thể kết nối với những động cơ thuộc dòng SGML của hãng Yaskawa Dó đó,ta không thể kết nối, cấp nguồn rồi cho động cơ chạy luôn mà bắt buộc phải cài đặt các thông số thích hợp với loại động cơ Servo ta đang sử dụng Mỗi loại động cơ có những thông số cài đặt riêng để có thể hoạt động Bây giờ ta

sẽ tiến hành cài đặt các thông số tiêu chuẩn của nhà sàn suất dành cho động cơ Servo SGML 02AF12 theo những bảng thông số dưới đây

 Các chế độ đặc biệt:

 Các chế độ thường dùng 1:

- Với những thông số trên khi cài đặt vào Driver ta có thể điều khiển động cơmột cách cơ bản.

Chương 2: ENCODER VÀ COUNTER 2.1 ENCODER

2.1.1 Giới thiệu và phân loại

Encoder là tên gọi chung để chỉ các thiết bị mã hóa Trong thực tế có rất nhiều loại và hình thức encoder khác nhau Thông thường, đối với các chuyển động quay, encoder dùng để quản lý vị trí góc của một điã quay, bánh xe, hay trục động cơ, hoặc bất

kì thiết bị quay nào cần xác định góc của nó

Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder và incremental encoder

Absolute encoder là encoder tuyệt đối, nghĩa là tính hiệu ta nhận được chỉ rõ ràng vị trí của encoder, không cần phải xử lý thêm

Incremetal encoder là encoder mã hóa gia tăng (encoder tương đối), thường chỉ

có tối đa là 3 vòng lỗ Nếu encoder có càng nhiều lỗ trên đĩa thì thông tin nhận được càngchính xác Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 đơn vị, do đó loại này có tên la incremetal encoder (encoder mã hóa gia tăng)

2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder

Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ (hoặc rãnh) Dùng đèn led chiếu lên mặt đĩa Khi quay, chỗ không có lỗ (rãnh) thì đèn không thể chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh) thì đèn sẽ chiếu xuyên qua Phía mặt bên kia của đĩa được đặt một cảm biến thu Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không

Giả sử trên đĩa có n lỗ, thì mỗi lần cảm biến thu nhận được n lần tín hiệu đèn ledthì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

2.1.3.1 Absolute encoder

Độ phân giải của encoder là một thông số rất quan trọng Làm thế nào để biết đĩaquay được 1/2, 1/4 hay 1/n vòng chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng.Với một số nhị phân có 2 bit, chúng ta sẽ có 4 trạng thái Điều đó nghĩa là với một số nhị phân

2 bit, chúng ta có thể chia đĩa thành 4 phần bằng nhau, và khi quay chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến ¼ vòng Tương tự, với một số nhị phân n bít, ta sẽ xác định được

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (vòng trong), cảm biến thu đang nằm ở vị trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được từ mắt thu sẽ là 1 ở vòng lỗ thứ hai, cảm biến thu đang nằm ở vị trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được sẽ là 1 Kết hợp 2 bit ta được số nhị phân 11, chúng ta

sẽ xác định được đĩa quay đang nằm ở góc phần tư phía trên bên phải

Nếu đĩa quay có 10 vòng lỗ thì ta sẽ quản lí được vị trí chính xác đến 1/210 vòng (1/1024 vòng), hay còn gọi là dộ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulse perrevolution – ppr)

2.1.3.2 Incremetal encoder

Lợi thế của encoder tuyệt đối thể hiễn rõ rệt trong trường hợp góc quay nhỏ và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng Chỉ cần đọc giá trị là chúng ta có thể biết ngay vị trí góc của trục quay Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng thì điều này không có lợi, bỏi vì khi đó ta phải xử lý đếm số vòng quay của trục

Ngoài ra khi thiết kế encoder tuyệt đối, nếu đòi hỏi độ chính xác càng cao thì cầncàng nhiều vòng lỗ, dẫn đến sự giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thê thực hiện Ngoài ra việc bố trí dãy đèn led và cảm biến thu cũng chiếm một diện tích rất lớn trong trường hợp này

Tuy nhiên, điều này đã được khắc phục bằng incremetal encoder một cách khá đơn giản Vì vậy, incremetal được sử dụng nhiều trong những ứng dụng hiện đại

Nguyên lý hoạt động của incremetal encoder: incremetal encoder sẽ tăng một đơn vị khi có một lần lên xuống của cạnh xung, nghĩa là khi led quét qua một lỗ thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm

Để đếm được số vòng động cơ đã quay và hạn chế sai số xung tích lũy (trong trường hợp có rung động không thể kiểm soát có thể gây ra sai số xung đếm được ở encoder), một lỗ định vị được thêm vào để đếm số vòng quay của encoder (hình dưới)

Hình 22 Vòng quay Encoder với lỗ định vị.

biến thu phát để xác định chiều quay của động cơ

Hình 23 Xác định chiều quay bằng cách sử dụng 2 vòng lỗ và 2 bộ cảm biến thu - phát.

2.2 COUNTER

2.2.1 Giới thiệu counter HANYOUNG NUX GE6-T6D

Hình 24 CHình 24 Counter.

 Thông số kỹ thuật:

- Kích thước: 72x36x86 mm (chiều ngang x chiều cao x chiều dày)

- Ngõ vào: CP1, CP2, RESET Mức cao: 4-30 V d.c, mức thấp: 0-2 V d.c

- Tín hiệu vào thấp nhất: thiết lập phạm vi tín hiệu đầu vào: 0.1ms/ 1ms/ 20ms

- Nguồn ra: 12 V d.c (± 5%) tối đa 100 mA

- Nhiệt điện trở: tối thiểu 100 MΩ

- Nhiệt độ môi trường: 20 ~ 65 oC

- Độ ẩm môi trường: -10 ~ 55 oC, 35 ~ 85 %

- Cấp tín hiệu sau 100ms kể từ khi được cấp nguồn

- Lưu giữ năng lượng 200ms kể từ khi tắt nguồn điện

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng counter HANYOUNG NUX

Sơ đồ nối dây:

Hình 25 Sơ đồ nối dây của Counter.

 Hướng dẫn cài đặt

- Bước 1: Khởi động chế độ cài đặt thông số

- Bước 2: Cài đặt chế độ bộ đếm cho counter

Khi mà hình hiện chữ , chờ 1 giây để counter hiển thị chế độ đã được lập trình Nếu màn hình hiển thị , tiếp tục ấn để chuyển sang bước 3 Nếu màn hình hiển thị , ấn để chuyển sang chế độ , sau đó ấn để chuyển sang bước3

- Bước 3: Chọn chế độ đếm và dạng xung đầu vào

Màn hình hiện chữ , 1 giây sau màn hình sẽ hiển thị chế độ đếm đang được cài sẵn Vì trong kit thực tập sử dụng counter để đếm xung đưa ra từ encoder của động cơ servo nên ta chọn chế độ Ấn để chuyển sang bước 4

- Bước 4: Cài đặt tốc độ đếm cho counter

Màn hình hiện chữ , 1 giây sau màn hình sẽ hiển thị tốc độ đếm cài sẵn

Ấn để chọn tốc độ đếm tối đa là (10 kHz)

- Bước 5: Thiết lập quy mô

Màn hình hiện chữ , sau 1 giây, tất cả các led sẽ hiển thị số liệu đã cài đặt sẵn ấn để di chuyển qua từng con số, ấn để tăng giá trị của số đang chọn, ấn

để giảm giá trị số đang chọn Đối với kit thực tập này, thiết lập giá trị là 000100 Ấn

để chuyển sang bước 6

- Bước 6: Thiết lập quy mô nhân

Màn hình hiện chữ , ấn để di chuyển dấu chấm qua các con số Đặt

dấu chấm sau số 1 của dãy số 000100 vừa cài đặt để có hệ số nhân là 1 Ấn để sang bước 7

- Bước 7: Thiết lập dấu chấm thập phân

Màn hình hiện chữ , Sau 1 giây màn hình sẽ hiện 0000, nếu có dấu chấm thập phân, ấn cho đến khi dấu chấm thập phân biến mất (không sử dụng dấu chấm

thập phân) Ấn để sang bước 8

- Bước 8: Thiết lập thời gian reset

Màn hình hiện chữ , 1 giây sau màn hình sẽ hiển thị thông số thời gian

reset cài sẵn Thông số này nên cài theo mặc định của hệ thống là Ấn để sang bước 9

- Bước 9: Cài đặt trạng thái bộ nhớ khi mất nguồn

Màn hình hiển thị , sau 1 giây màn hình hiển thị chế độ cài đặt sẵn Có 2chế độ là hoặc Chọn Save thì khi mất nguồn, số liệu counter đang đếm sẽ được lưu lại, khi có điện trở lại, số liệu sẽ tiếp tục hiện lên Chọn Clear thì khi mất nguồn,

số liệu đếm sẽ bị reset về mặc định ban đầu là 0 Trong kit thực tập này chọn chế độ Clear Ấn để sang bước 10

- Bước 10: Cài đặt kiểm tra logic đầu vào

Màn hình hiển thị , 1 giây sau màn hình sẽ hiển thị đầu vào bộ đếm được

sử dụng ở chế độ nào (NPN hay PNP) Trong kit thực tập này, đầu vào bộ đếm đã được cài đặt là NPN

nào, không thể thao tác trên các phím để thay đổi chế độ đầu vào của bộ đếm Ấn

để sang bước 11

- Bước 11: Thiết lập khóa phím

Sau khi ấn ở bước 11, màn hình sẽ hiện lên thiết lập khóa phím hiện thời của counter Các chế độ khóa phím gồm: : không khóa phím : không thể sửdụng bất kỳ phím nào, ngoại trừ phím : không thể sử dụng phím

: không thể sử dụng phím ở mặt trước

Chương 3 : GIỚI THIỆU KIT THỰC TẬP ĐỘNG CƠ AC SERVO 3.1 Hình ảnh thực tế KIT thực tập động cơ AC servo.

3.2 Hình ảnh thực tế giao diện chính KIT thực tập động cơ AC servo.

Hình 27 Giao diện chính KIT thực tập động cơ AC Servo.

3.3 Bản vẽ thiết kế giao diện chính KIT thực tập động cơ AC servo.

3.4 Các thông số thiết kế KIT

3.4.1 Hộp đựng KIT.

- Chất liệu: được làm từ thép, bên ngoài được phủ sơn tĩnh điện

- Kích thước: theo thứ tự dài x rộng x cao là 400 x 300 x 220 (phần nắp hộp

- Chất liệu: mặt nạ KIT được làm từ Inox

- Những hình vẽ, đường dây được in bằng công nghệ in lụa và ăn mòn axit

- Phần viền màu đỏ chính là giới hạn kích thước của mặt nạ KIT

Hình 29 Động cơ AC servo và vòng tròn Mica.

Đầu trục của động cơ được gắn thêm một vọng tròn Mica có vạch kẻ, vòng tròn này sẽ kết hợp với vòng chia độ trên mặt nạ KIT giúp ta xác định được động cơ đã quay

Hình 32 Công tắc điều khiển 3.5.5 Nút cắm dây điện.

Hình 33 Nút cắm dây điện 3.5.6 Counter.

Hình 34 Counter.

Hình 37 Sơ đồ nối dây để điều khiển Mômen.

Hình 38 Sơ đồ nối dây để điều khiển tốc độ.

3.7 Kết nối thực tế giữa các cổng và thiết bị điều khiển.

- Cổng CN1-11 được điều khiển bới công tắc <CN1-11>:

Hình 39 Công tắc CN1-11.

- Cổng CN1-12 được điều khiển bới công tắc <CN1-12>:

Hình 40 Công tắc CN1-12.

- Cổng CN1-14 được điều khiển bới công tắc <START>:

Hình 50 Công tắc START.

- Cổng CN1-15 được điều khiển bới công tắc <ĐIỀU KHIỂN>:

Hình 51 Công tắc ĐIỀU KHIỂN.

Hình 52 Kết nối các cổng CN1-1 và CN1-2 với biến trở.

- Cổng CN1-3 và Cổng CN1-4 được nối với các nút dây:

Hình 53 Kết nối các cổng CN1-3 và CN1-4 với biến trở.

3.8 Mạch điện kết nối các thiết bị

3.8.1 Bản vẽ Capture.

Hình 56 Sơ đồ kết nối linh kiện.

3.9 Các phân vùng trên KIT thực tập

3.9.1 Phân vùng Driver và cổng kết nối

Hình 57 Phân vùng Driver và các cổng kết nối Chức năng: Nơi đặt Driver và các cổng liên kết với Driver.

3.9.2 Phân vùng chọn chế độ điều khiển.