Trang bị điệnđiện tử trong máy công nghiệp ĐHBK TPHCM Báo cáo seminar AC servomotor

báo cáo seminar về động cơ AC servo: bao gồm cấu tạo, nguyên lí hoạt động, thuật toán của encorder, ứng dụng của động cơ AC servo, báo cáo bài tập lớn với yêu cầu 1 buổi seminar về động cơ AC Servo, thầy Ngô Hà Quang Thịnh, môn học trang bị điệnđiện tử trong máy công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

-*** -

SEMINAR TRANG BỊ ĐIỆN , ĐIỆN TỬ

TRONG MCN

Danh sách nhóm

Họ và tên MSSV

Lê Ngọc Minh 1511977

Trần Ngọc Nhất 1512285

Phạm Trung Dũng 1510573

Huỳnh Minh Nhật 1512289

Lê Phú Khương 1511630

Mục lục

Phần I : Sơ lược về hệ thống servo

Phân II : Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của AC servo motor Phần III : Hệ thống điều khiển Servo

Phần IV : Ứng dụng của động cơ AC servo

Phần V : Tài liệu tham khảo

Phần I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG SERVO

I Thế nào là hệ thống Servo:

“Servo” có nguồn gốc từ một từ Latin là “servus” có nghĩa là nô lệ, người giúp việc

Từ này từng rất phù hợp khi hệ truyền động servo được sử dụng như hệ truyền động phụ trợ cho các nhiệm vụ thứ cấp như biến đổi các tốc độ không thường xuyên trên các máy công cụ

Ngày nay, các hệ thống servo hiện đại được sử dụng sử dụng để truyền động chính ngày càng nhiều Hệ thống Servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong các phương pháp điều khiển vị trí, tốc độ và momen lực

Hệ thống Servo có khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và momen lực nhờ vào hệ thống phản hồi (feedback) từ servomotor hoặc từ chính tải cần điều khiển để hệ thống có thể kịp thời xử lý tín hiệu, loại bỏ sai số từ bên ngoài Chính điều này đã tạo

ra sự khác biệt của hệ thống Servo

Chìa khóa sự thành công của công nghệ servo là nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn và vi điều khiển hiện đại Mạch tích hợp sâu và hệ thống máy tính mạnh mẽ cùng bộ nhớ lớn giúp cho điều khiển kĩ thuật số ngày càng hiệu quả, mở rộng phạm vi chức năng của hệ truyền động một cách đáng kể

Hình 1.1: Máy ép nhựa sử dụng hệ thống AC Servo của hang EMHEATER

Hình 1.2: Các cánh tay robot công nghiệp của hang YASKAWA

II Cấu trúc của một hệ thống Servo:

1 Mô hình hoạt động của hệ thống Servo:

Hình 1.3: Mồ hình hoạt động của một hệ thống Servo đơn giản

Một hệ thống Servo gồm có 3 phần chính:

a Máy chủ điều khiển (host controller):

- Đây là nơi người vận hành điều khiển hệ thống Servo bằng cách chọn cách thức hoạt động và nhập các thông số kĩ thuật yêu cầu để làm việc như vận tốc, vị trí, momen

Dữ liệu nhập vào được mã hóa dưới dạng điện áp analog gửi tới bộ điều khiển

Servopack Đồng thời đây cũng là nơi hệ thống Servo hiển thị dữ liệu hồi tiếp về trong quá trình hoạt động để người vận hành có thể theo dõi, nắm bắt và chỉnh sửa nếu cần

- Trong thực tế máy chủ điều khiển có thể là Digital Operator/Panel Operator, máy tính cá nhân, PLC, …

Hình 1.4: PLC S7-300 của hang SIEMENS

Hình 1.5: Digital Operator của hang YASKAWA

b Servopack:

Hình 1.6: Một bộ điều khiển Servopack của hang YASKAWA

- Đây là phần tạo nên sự khác biệt của hệ thống Servo so với các hệ thống điều khiển khác Tín hiệu điện áp analog từ máy chủ điều khiển chuyển tới sẽ được so sánh với

dữ liệu vận tốc, vị trí, momen hồi tiếp về từ encoder hoặc resolver trên servomotor

để xử lý Tùy theo phương pháp điều khiển mà tín hiệu đưa ra sẽ là digital hay

analog Tín hiệu sau khi được xử lý sẽ qua module khuếch đại lấy điện từ nguồn để

có thể đưa ra điều khiển servomotor

Hình 1.7: Sơ đồ xử lý của một bộ điều khiển Servopack của hang YASKAWA

c Động cơ Servo (Servomotor):

- Servomotor là động cơ tạo chuyện động quay (rotary) hoặc tịnh tiến (linear) cho

phép điều khiển chính xác góc quay, vị trí, vận tốc, gia tốc, momen của trục quay Servomotor bao gồm một bộ động cơ và cảm biến hồi tiếp là encoder hoặc resolver

- Servomotor hoạt động nhờ nhận tín hiệu điều khiển đã được xử lý từ Servopack gửi tới, đồng thời phản hồi dữ liệu chuyển động bao gồm vị trí, vận tốc, momen từ

encoder về Servopack

Hình 1.8: Các AC Servomotor và Servopack của hang YASKAWA

2 Cấu trúc của hệ thống Servo trong thực tế:

Hình 1.9: Sơ đồ lắp đặt của một hệ thống AC Servo của hang YASKAWA

- Hệ thống AC Servo sử dụng điện 3 pha được bảo vệ nhờ CB tổng Một bộ lọc nhiễu (noise filter) được lắp đặt để chặn nhiễu điện xâm nhập vào và làm hỏng các hoạt động của các thiết bị, bộ lọc này cũng có tác dụng dừng các thiết bị khi nhiễu điện xảy ra Dòng điện qua bộ lọc sẽ cung cấp điện cho mạch điều khiển, động lực và mạch phanh

- Mạch điều khiển, động lực gồm contactor từ dùng để đóng ngắt mạch điện Dòng điện sau đó cung cấp cho hệ thống gồm máy chủ điều khiển, Servopack và

Servomotor để hoạt động

- Mạch phanh có chức năng cung cấp năng lượng để hoạt động hệ thống phanh Trong mạch phanh có contactor từ và điện trở tiêu thụ năng lượng từ servomotor khi phanh

Phần II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO

CỦA AC SERVOMOTOR

I Một vài động cơ AC servo trên thị trường

Hình 2.1: AC servo motor của YASKAWA

Hình 2.2: AC servo của SEW-EURODRIVE

II Nguyên lý và cấu tạo của servomotor

1 Cấu tạo

Các bộ phận cơ bản của 1 AC servo motor như sau ( cấu tạo chung)

Hình 2.3 Bản vẽ 2D cơ bản về một động cơ servo cơ bản

Hình 2.4: Bản vẽ trục đo các bộ phận của một động cơ đồng bộ

Các bộ phận chính được chú thích của hình vẽ sau

1 Rotor ( phần quay của động cơ)

2 Flanged end shield ( Tấm chắn của động cơ)

3 Grooved ball bearing (rảnh chứa ổ bi để trục có thể quay tốt)

4 Stator ( phần tạo từ trường quay cho động cơ )

5 Non drive-end bearing shield ( phần chắn phía sau của động cơ )

6 Grooved ball bearing ( rảnh chứa ổ bi để trục có thể quay tốt)

7 Encoder

8 Connector housing ( có thể hiểu là nơi cho các dây truyền tín hiệu cấm vào nơi này )

9 Power plug ( nơi cấp nguồn cho động cơ)

10 Signal plug ( nơi để dẫn tín hiệu , như dây cáp truyền tín hiệu )

11 Brake ( phanh của động cơ)

2 Nguyên lý hoạt động của AC servo

Nguyên lý hoạt động của servomotor ( của động cơ servo motor không đồng bộ).Nói chung quan trọng để tạo thành động cơ AC servo thì phần servo điều khiển và xử lí là quan trọng nhất Còn về phần động cơ thì có nhiều lựa chọn để làm động cơ Ở đây nhóm chúng em xin nói về phần motor( động cơ là không đồng bộ)

Các bộ phận chính trong động cơ AC servo

+Phần rotor: là nam các dây quấn quấn lại với nhau để tạo dòng điện cảm ứng và từ trường tương thích

+ Phần stato : Các các vòng dây đặt lệch nhau 120 độ cố định bao quanh roto

+ Encoder : Bộ phận giúp cho bộ điều khiển biết được vị trí và vận tốc của động cơ Nguyên lý hoạt động của rotor và stato

Muốn cho động cơ làm việc, stato của động cơ cần được cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ:n=60 f/p (vòng/phút) Trong đó: f- là tần số của nguồn điện

p- là số đôi cực của dây quấn stato

Trong quá trình quay từ trường này sẽ quét qua các thanh dẩn của rôto, làm xuất hiện sức điện động cảm ứng Vì dây quấn rôto là kín mạch nên sức điện động này tạo ra dòng điện trong các thanh dẩn của rôto Các thanh dẩn có dòng điện lại nằm trong từ trường, nên sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ đặc vào các thanh dẩn

Tổng hợp các lực này sẽ tạo ra môment quay đối với trục rôto, làm cho rôto quay theo chiều của từ trường

Khi động cơ làm việc, tốc độ của rôto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường (n1) Kết quả là rôto quay chậm lại nên luôn nhỏ hơn n1, vì thế động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ

Độ sai lệch giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường được goi là hệ số trược, ký hiệu là: S

và được tính bằng:

Thông thường hệ số trược vào khoảng 2% đến 10%

Hoạt động của encoder

Encoder gắn liên với trục động cơ, với cấu tạo và chức năng đặc thù của encoder, bộ phận này có khả năng thu nhận được các tín hiệu để truyền về cho bộ phận xử lý và điều khiển biết vị trí và vận tốc chính xác của động cơ.Nhờ bộ phận này mà AC servo chiếm ưu thế hơn các loại động cơ khác

III Cấu tạo của encoder và nguyên lý hoạt động của encoder

Hình 2.5 : Encoder

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì nhất thiết phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vậntốc quay), dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder Trong đó 2 phươngpháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng optical encoder (encoderquang) thuộc nhóm phương pháp digital Hệ thống optical encoder baogồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảmbiến quang

và một đĩa có chia rãnh Optical encoder lại được chia thành2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối(incremental optical encoder) Encoder chủ yếu là incremental encoder

Hình 2.6 : Cấu tạo của encoder

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index) Hãy chú ý một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này Đó là kênh I của encoder Cữ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này

Kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A N là số rãnh 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 chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia

Để điều khiển động cơ, phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển

Tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder

Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90o Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ

Hình 2.7 : Các bố trí các cổng đo của encoder

Hình trên cùng trong hình 3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao Như vậy, bằng cách 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 của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)

Tiếp theo phần tín hiệu từ encoder được mã hóa và được truyền về cho trung tâm điều khiển dưới dạng mã Binary

1 Một vài thông số kĩ thuật khi lựa chọn động cơ AC servo của các sản xuất Tham khảo từ nhà sản xuất YASAKAWA cung cấp như sau

Lựa chọn dây cáp truyền dữ liệu và các thiết bị kết nối

Các thông số lựa chọn về công suất, tốc độ quay, cường độ dòng điện định mức, điện

áp định mức , hệ thống phanh……

So sánh động cơ step và DC Servo

Tốt, sở hữu tính kháng bụi

và các vật thể nhỏ Đĩa encoder hạn chế lệch bằng trục máy, có thiết kế điểm zero và tối ưu bạc đạn

STEP DC SERVO

LỖI VỊ TRÍ Stepper có thể chạy lệch vị

trí hoặc đứng nếu không thiết kế giới hạn an toàn lớn

Servo không mắc lỗi vị trí như hệ thống stepper

ĐỘ MƯỢT Stepper cần nhảy tốc độ, từ

tốc độ quán tính baN đầu, điều này gây ra hiện tượng chạy dừng bất chợt trong chuyển động

Servo không gây ra hiện tượng như stepper và có thiết kế RAS giúp chuyển động mượt hơn

hoạt động của stepper tạo ra nhiều tiếng ồn

Servo không chổi than hoạt động êm hơn stepper

ĐỘ RUNG LẮC Cùng lý do trên, stepper khi

hoạt động cũng rung khá nhiều

Các thiết kế chế tạo servo mới nhất đã giúp hạn chế sự rung lắc

CHỊU TẢI Stepper phải điều chỉnh ma

sát và quán tính để làm việc hiệu quả với mỗi tải khác nhau

Có thể tự động điều chỉnh

hệ thống để dễ dàng tải

TÍNH HIỆU QUẢ >=50% khi chạy ổn định

hoặc đứng ổn định Công suất hao phí luôn làm stepper nóng lên cả khi tải nhẹ

Servo dùng công suất theo yêu cầu nên ít hao phí hơn

SỨC MẠNH Độ tự cảm ở các cặp cực

cao gây giảm torque nhanh khi tốc độ quay tăng

Servo tạo ra gấp 2-3 lần năng lượng so với stepper cùng kích cỡ

So sánh AC SERVO và DC SERVO

Phần III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SERVO

I- Giới thiệu chung về điểu khiển servo (Servo Control)

1, Hệ thống điều khiển servo là gì?

Hệ thống điều khiển servo là một trong những hệ thống điều khiên quan trọng và sử dụng rộng rãi Bất cứ một máy hay một chi tiết của thiết bị có phần quay sẽ chứa một hay nhiều hơn một hệ thống điều khiển servo Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển trong

2, Nguyên tắc điều khiển hoạt động của một động cơ Servo đơn giản

Dạng cơ bản của một động vơ servo được tạo ra từ một động cơ điện (electric motor) với một trục quay cùng tải trọng J trên nó, ma sát được sinh ra giữa động cơ và tải trọng (biểu thì bởi hằng số b) Khi đó sẽ tồn tại một mạch điều khiển có đầu vào mang

điện thế là u(t) được chuyển đổi nởi động cơ thành moment T(t) tại đầu ra của truc Sử

dụng ý tưởng của mô hình này cho một hệ thống cơ khí mà sự cân bằng moment có thể được liện hệ giữa moment của trục quay động cơ và moment cần thiết để tăng tốc

độ và vượt qua ma sát Điều đó thể hiện ở phương trình sau:

Góc θ thể hiện vị trí của trục quay động cơ Đối tượng được điều khiển chính là vị trí θ hay tốc độ của động cơ đạt đến giá trị mong muốn Giá trị điện thế đầu vào có sự liên

quan đến Moment T(t) với số gia K và hệ số của quán tính được quy thành một hằng số

thời gian  , trong đó  J b/ Khi đó biểu thứ có dạng:

Trong các hệ thống servo thông dụng sẽ tồn tại những thành phần khác quan trọng

không kém Phần nhiều trong số đó không mang tính chất tuyến tính (nonlinearity)

nhưng ảnh hưởng nhiều trong bộ truyền động và ma sát trong các cơ cấu cơ khí Trong những thành phần phi tuyến tính, quan trọng nhất cần chú ý chính là sự bão hòa điện thế của bộ truyền động động cơ, thành phần ma sát Coulomb trong cơ cấu quay và hiện

tượng trễ (hysteresis/ backlash) có thể xảy ra trong các hộp số giữa động cơ và tải Một

hệ thống điều khiển tốt là một hệ thống có thể xử lí được những thành phần phi tuyến tính đó

Tuy nhiên điều đầu tiên chúng ta nên hiểu là về những thành phần tuyến tính trong hệ thống servo Nhìn chung, chúng có một phương trình chung dạng:

Một điều quan trọng trong hệ thống điều khiển và phân tích nói chung là sự đo lường

giá trị của số gia K và hằng số thời gian  Để điều đó trở nên dễ dàng hơn, ta sẽ lấy

một ví dụ về hệ thống CE110 Servo Trainer, đã được thiết kế để số gia giữa ngõ vào vị trí của động cơ (motor) và tốc độ của động cơ với số K xấp xỉ 2 giữa tốc độ đo được và

vị trí đo được Hằng số thời gian  =1,5 Như vậy ta có hàm quan hệ và chuyển đỗi

giữa tốc độ motor và output vị trí trục:

Rất nhiều hệ thống điều khiển với công cụ được thiết kế để sử dụng với khuôn mẫu hệ thống biểu diễn trạng thái trong không gian Trong hệ thống servo, các trạng thái kể đến là output tốc độ và vị trí của trục