điều khiển đồng bộ tốc độ cao động cơ ac servo thông qua mạng sscnet iiih

Khoa học kỹ thuật phát triểnkhông ngừng kéo theo yêu cầu về độ chính xác, khả năng đáp ứngcủa các máy móc ngày càng phải nhanh và mạnh hơn, để đáp ứngđược yêu cầu khắt khe đó các hệ thốn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ CAO ĐỘNG

CƠ AC SERVO THÔNG QUA MẠNG SSCNET

III/H

Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự

Động Hóa

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC 4

2.1.1 Tổng quan về PLC 4

2.1.2 Đặc điểm và vai trò của PLC 5

2.1.3 Vai trò 6

2.2 PLC DÒNG Q CỦA HÃNG MITSUBISHI 6

2.3 ĐỘNG CƠ SERVO 10

2.3.1 Giới thiệu về Servo 10

2.3.2 Phân loại động cơ Servo 10

2.3.3 Chức năng 12

2.3.4 Cấu tạo 12

2.4 DRIVER SERVO 12

2.5 ENCODER 14

2.5.1 Khái niệm Encoder 14

2.5.2 Phân loại Encoder 15

2.6 HMI GOT 1000 16

2.7 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO 17

2.7.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử 17

2.8 HỆ THỐNG CƠ KHÍ ẢO 20

2.8.1 Điều khiển đồng bộ 20

2.8.2 Module truyền động – trục đầu vào 21

2.8.3 Các Module dẫn động 22

2.8.4 Module đầu ra – đĩa CAM 23

2.9 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MOTION SFC 25

2.9.1 Sơ lược về việc sử dụng ngôn ngữ SFC 25

2.9.2 Cơ cấu chương trình SFC chuyển động 26

2.9.3 Bảng biểu tượng trong biểu đồ Motion SFC 27

2.9.4 Cách điều khiển chuyển động 29

2.9.5 Cách điều khiển quy trình 30

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 31

3.1 GIỚI THIỆU 31

3.2 PHẦN CƠ KHÍ 31

3.2.1 Yêu cầu phần cứng 31

3.2.2 Trục truyền động 32

3.2.3 Phần khung mô hình 32

3.2.4 Phần bánh răng đồ bộ 33

3.3 PHẦN ĐIỆN 37

3.3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 37

3.3.2 Linh kiện sử dụng trong hệ thống 38

3.3.2.1 Trạm CPU 38

3.2.3 Màn hình HMI GOT 1000 53

3.2.4 Động cơ Linear Servo 54

3.2.5 Nguồn 24VDC và 5VDC 58

3.2.6 Cảm biến tiệm cận Omron EE-SX 772C 58

3.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 64

3.3.1 Mạch động lực 64

3.3.2 Mạch kết nối động cơ Servo 65

3.3.3 Mạch điều khiển 66

3.4 THI CÔNG MÔ HÌNH 70

3.4.1 Phần cơ khí 70

3.4.2 Thi công phần điện 71

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 73

4.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG 73

4.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT 73

4.2.1 Mô tả hoạt động của mô hình 73

4.2.1 Giải thuật điều khiển 74

4.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 80

4.3.1 Phần mềm cài đặt 80

4.4 Bước 6 – Chương trình SFC 95

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 101

5.1 KẾT LUẬN 101

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

thực 21

phụ 21

Hình 2.14: Kí hiệu của trục Servothực 22

Hình 2.15: Ly hợp và cách thức hoạtđộng 23

Hình 2.16: Kí hiệu Module đầu ra – đĩacam 24

Hình 2.17: Cấu trúc chương trình ở CPUPLC 25

Hình 2.18: Mô phỏng của cấu trúc của một chương

Hình 3.8: Cách bố trí các thiết bị trên Base

Hình 3.21: Màn hình GOT1000 52

Hình 3.35: Gắn các module lên trục giá đỡ môhình 65

Hình 3.36: Đi dây I/O cho CPU Q04UDH vàQD75D2N 66

Hình 3.37: Đi dây phần động lực cho môhình 66

Hình 4.3.4: Servo Data cho yêu cầu thay đổi giá trị hiện tại của 2

Bảng 2.2: Các loại thiết bị CPU hiệncó 8

Bảng 2.3: Các loại nguồn cung cấp choCPU 8

Bảng 3.1: Tên của các thành phần trong trạmCPU 39

Bảng 4.1: Kí hiệu của và giá trị các thành phần trong bài toán đồng

Bảng 4.3: Giải thích thông số cài đặt2 85

Bảng 4.4: Giải thích thông số cài đặt đồng bộ của Axis 2 theo Axis

1 88

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

60 năm trước động cơ servo đã cách mạng hóa ngành côngnghiệp điều khiển chuyển động Từ đó đến nay, ngành công nghiệpservo đã phát triển không ngừng và hầu như góp mặt trong mọi hệthống điều khiển tự động trên thế giới Khoa học kỹ thuật phát triểnkhông ngừng kéo theo yêu cầu về độ chính xác, khả năng đáp ứngcủa các máy móc ngày càng phải nhanh và mạnh hơn, để đáp ứngđược yêu cầu khắt khe đó các hệ thống tự động hóa ngày nay hầunhư đều sử dụng động cơ servo trong những quá trình tự động cụthể như cánh tay robot, máy CNC, cần trục và các cơ cấu vít me,bàn xoay, linear

Cùng sự ứng dụng của khoa học công nghệ, thế giới đã cónhững chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hiện đại hơn Sựphát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động hóa đã tạo

ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại vớinhững đặc điểm vượt trội với sự chính xác tuyệt đối, tốc độ nhanh,đáp ứng nhu cầu công việc phức tạp trong dây chuyền sản xuất.Thực tế cho thấy rằng, trong một hệ thống sản xuất, đối với nhữngcông việc hòi hỏi phải hoạt động cùng thời điểm, đồng tốc độ, dichuyển chính xác vị trí đã cài đặt sẵn Vấn đề đó thì những hoạtđộng thủ công của con người gần như không thể thực hiện được.Nhưng với công nghệ tiên tiến hiện nay, điều đó có thể thực hiệnmột cách dễ dàng Xuất phát từ nhu cầu muốn tìm hiểu về thiết bị,cách thức điều khiển thiết bị cũng như muốn xây dựng mô hình mô

tả hoạt động, nhóm quyết định lựa chọn đề tài “Điều khiển mô

hình đồng bộ tốc độ cao động cơ AC Servo thông qua mạng SSCNET III/H”.

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Tiến hành thực hiện động bộ 2 trục động cơ Servo ở tốc độcao Điều khiển chính xác vị trí và vận hành tốc độ đúng theo yêucầu Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát bao gồm 2 trục động

cơ Servo, 1 trục động cơ Linear thông qua màn hình HMI Mô hình

sử dụng 2 động cơ Servo, driver 200W của hãng Mitsubishi, trụcLinear của hãng Yawasaki Sử dụng 2 controller chính đó là Q04UDH

và Q173DSCPU Q04UDH đóng vai trò giao tiếp thiết bị ngoại vị nhưnút nhấn, màn hình HMI , Q173DSCPU đóng vai tròng là CPUmotion giúp giao tiếp và điều khiển động cơ Servo

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài này, nhóm đã nghiên cứu và thực hiện cácphương pháp:

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Chỉ dừng lại ở việc mô hình ứng dụng chuyển động đồng bộ đơngiản

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài,mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồán

Trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, kiến thức chung về PLC hãngMitsubishi, Servo Driver , Servo motor, HMI Got 1000, LinearYawasaki

Chương này nói về cách tính toán và bố trí các thiết bị trong

mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra Mô tả cách thức hoạt độngcủa mô hình và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau Dựa vào cơ sở

đã tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình Nhóm bắt đầu thi công

mô hình từ khâu cơ khí, lắp ráp và kết nối các thiết bị với nhau.Kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiếtbị

Mô tả hệ thống và giải thuật điều khiển, trình bày lưu đồ giảithuật Trình bày chi tiết các lệnh sử dụng trong mô hình gồm lệnhđiều khiển trình tự và lệnh SFC Giải thích các thông số cài đặtchuyên biệt cho Servo Trình bay lý thuyết về cơ khí ảo sử dụngtrong hệ thống

Chương này sẽ nói về kết quả đại được và sau đó nhận xét vềmục tiêu đã đặt ban đầu

Kết luận sau khi hoàn thành mô hình Nêu ra những ưu, nhượcđiểm và hướng phát triển của đồ án để đưa ra hướng phát triển tiếptheo cho đề tài

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC

2.1.1 Tổng quan về PLC

Định nghĩa: PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị

điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự độngtheo chương trình người dùng PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưutrữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển PLC có thể coi làmột máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường côngnghiệp

Cấu tạo: PLC được cấu tạo bao gồm các thành phần chính như

bộ xử lý trung tâm, khối vào (Module input, Analog input), khối ra(Module output, Analog output)

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC Motion

như một máy tính thực thụ CPU được xem là bộ não củaPLC, nó quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điềukhiển chuyên biệt của PLC

tín hiệu tới khối ra CPU còn chứa các khối chứa năng phổbiến như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữliệu… và các hàm chuyên dụng

 Khối vào (Module Input) : Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)

phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảmbiến quang, cảm biến tiệm cận…

như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ

ẩm Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệungõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọcđược Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tựkhác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở… Một thông sốquan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông

số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC

(Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output).

theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động

cơ không điều khiển tốc độ…

điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính…

2.1.2 Đặc điểm và vai trò của PLC

Ưu điểm: nhìn chung PLC có các ưu điểm so với các mạch tiếp

điểm truyền thống như sau

đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chươngtrình thông qua việc lập trình

hàm có chức năng chuyên dụng: phát xung tốc độ cao, bộđếm tốc độ cao, bộ điều khiển PID…

 Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đãđược thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC.

không bị cứng hóa về phần cứng Người dùng dễ dàng lựachọn những module nào cần thiết với yêu cầu điều khiểnhiện tại giúp tiết kiệm chi phí Cấu trúc dạng module củaPLC giúp việc mở rộng quy mô điều khiển đơn giản, tiếtkiệm, không cần phải trang bị CPU mới Tuy nhiên khi mởrộng cần chú ý tới khả năng kết nối tối đa của CPU

khác Khả năng này đáp ứng yêu cầu điều khiển, giám sát

từ xa, xây dựng hệ thống SCADA

trong môi trường công nghiệp

Nhược điểm: Giá thành cao chính là một trong những nhược

điểm của PLC, việc giá thành cao dẫn đến việc không thể tiếp cậnvới nhiều hệ thống điều khiển đơn giản Hiệu quả kinh tế không caobằng bộ điều khiển tiếp điểm Yêu cầu về kiến thực lập trình PLC đốivới người mới bắt đầu

2.1.3 Vai trò

Với những ưu nhược điểm như đã nêu trên, PLC thể hiện ưuđiểm vượt trội và hiện nay đã thay thế hệ thống điều khiển tiếpđiểm truyền thống trong các nhà máy, dây chuyền công nghệ Việcthay thế này giúp hệ thống hoạt động tin cậy và hiệu quả hơn, tiếtkiệm nhân công và tránh những thao tác sai của người vận hành

2.2 PLC DÒNG Q CỦA HÃNG MITSUBISHI

Phát triển lên từ dòng sản phẩm trước đó họ AnSH, họ Q PLCMitsubishi cho phép người dùng phối hợp và lựa chọn sự kết hợp tốtnhất giữa CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt

và I/O trên cùng một nền tảng Điều này cho phép người dùng cấu

hình hệ thống theo những gì mình cần, khi nào mình cần, nơi mìnhcần triển khai Có thể phối hợp PLC CPU (cơ bản & nâng cao),Motion CPU, Process Controllers và ngay cả PC vào trong một hệthống duy nhất lên đến 4 CPU khác nhau Điều này tạo cho người sửdụng sự chọn lựa hướng điều khiển, ngôn ngữ lập trình – tất cả cùngchung trên một nền tảng duy nhất Linh động và phân cấp là đặctính thiết kế chủ chốt làm cho dòng Q thực sự là một nền tảng tựđộng hóa duy nhất Người dùng có thể sử dụng trong điều khiểnđơn giản các loại máy móc riêng lẻ hoặc quản lý toàn bộ thiết bị tất

cả cùng trên một nền tảng phần cứng

Tên CPU dòng Q Mô tả Mẫu CPU

QnUCPU Các tính năng, phương pháp, và

thiết bị cho lập trình

Mã CPU ứng dụng tổng quát

Qn(H)/QnPH/

QnPRHCPU

Các tính năng, phương pháp, và thiết bị cho lập trình

Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển qui trình/ dự phòng

QCPU Thông tin cho cấu hình hệ thống đa

CPU (cấu hình hệ thống, thông số I/

O, liên kết thiết bị vào/ra và tính năng thiết bị thông minh)

Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển qui trình/ ứng dụng tổng quan QnPRHCPU Cấu hình hệ thống dự phòng, tính

năng, kết nối với các thiết bị bên ngoài và xử lý sự cố

Mã CPU dự phòng

QnUCPU Tính năng liên kế thông qua cổng

Ethernet gắn trong

Mã CPU ứng dụng tổng quát

Bảng 2.1: Các kí hiệu của PLC dòng Q series

Thuật ngữ Mô tả

CPU thiết bị Tên gọi chung cho mấu QCPU cơ bản, QCPU hiệu

năng cao, CPU tiến trình, CPU dự phòng và QCPU ứng dụng tổng quát.

Mẫu QCPU cơ bản Tên gọi chung cho Q00JCPU, Q00CPU, và Q01CPU Mẫu QCPU hiệu năng

tổng quát Q02UCPU,Q03UDCPU,Q03UDVCPU,Q03UDECPU,

Q04UDHCPU, Q04UDVCPU, Q04UDEHCPU, Q06UDHCPU, Q06UDVCPU, Q06UDEHCPU,Q10UDHCPU, Q10UDEHCPU, Q13UDHCPU,Q13UDVCPU, Q13UDEHCPU, Q20UDHCPU, Q20UDEHCPU, Q26UDHCPU,Q26UDVCPU, Q26UDEHCPU, Q50UDEHCPU, và Q100UDEHCPU

Q13UDVCPU, Q13UDEHCPU,Q20UDEHCPU, Q26UDVCPU,

Q26UDEHCPU, Q50UDEHCPU, và Q100UDEHCPU QCPU ứng dụng tổng

Mitsubishi: Q172CPUN,Q173CPUN,Q172HCPU, Q173HCPU, Q172CPUN-T, Q173CPUN-T,Q172HCPU-

T, Q173HCPU-T, Q172DCPU, Q173DCPU,Q172DCPU-S1,Q173DCPU-S1,

Q172DSCPU, và Q173DSCPU

Bảng 2.2: Các loại thiết bị CPU hiện có

Tên module Đầu vào Đầu ra

Q61P 100V - 240VAC 5VDC 6A

Q62P 100V - 240VAC 5VDC 3A/24VDC

0.6A Q63P 24VDC 5VDC 6A

Q64P(N) 100V -120VAC; 200 - 240VAC 5VDC 8.5A Q61P-D 100V to 240VAC 5VDC 6A

Bảng 2.3: Các loại nguồn cung cấp cho CPU

Số ngõ vào 100 đến

120V AC

100 đến 220V AC 24V DC 5/12V DC 24V DC

8 QX28 QX48Y57

*1

16 QX10 QX40

QX40-S1 QX70 QX8032

QX40 QX40-S1 QH42P *1

QX71 QX81

QX42-S1 QX72

QX82 QX82-S1

Transistor

12 đến 24VDC (Sink)

Transistor

12 đến 24VDC (Sink/

source)

Transistor

5 đến 12VDC (Sink)

Transistor

12 đến 24VDC (Source)

2.3 ĐỘNG CƠ SERVO

2.3.1 Giới thiệu về Servo

Servo là thiết bị chuyên dụng có thể chưa bao giờ nhìn thấytrong cuộc sống hàng ngày Từ “Servo” có nguồn gốc từ chữ Latinh

“servus” Từ “servus” có nghĩa là tuân thủ các lệnh một cách trungthực và làm việc nhanh chóng, chính xác Tương tự như vậy, Servo

là một thiết bị thực hiện công việc một cách chính xác theo các lệnhđiều khiển Các Servo được sử dụng để khởi động và ngừng hoạtđộng ở các vị trí chính xác, thay đổi tốc độ cực kì nhanh và điềuchỉnh tốc độ phù hợp với các điều kiện “AC” có nghĩa là nguồn điệnxoay chiều Như vậy một “AC Servo” điều khiển các động cơ xoaychiều

Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồitiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ,moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt đượcnhư mong muốn Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trụcđộng cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lựcmoment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang.Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không

có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động làmthay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động

cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch

Hình 2.2: Một động cơ Servo của hãng Mitsubishi

2.3.2 Phân loại động cơ Servo

Động cơ Servo thông thường sẽ được phân ra làm hai loạichính đó là: động cơ AC Servo và động cơ DC Servo

Đối với DC servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều.

DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việcthay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc

sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì DC servo thường có thếmạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cáchcực kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp Momentxoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điềukhiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động Vì những

lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo

Đối với AC servo: có cấu tạo gần khá giống với brushless

motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cầnthiết hơn so với DC servo Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điềukhiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua cáccuộn dây một cách chính xác Sự liên kết và phản hồi được sử dụngtrong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bô điềukhiển hay bộ khuếch đại Quán tính trên roto rất thấp so với DCservo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và cácpha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trímong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng

Đối với hãng Mitsubishi, động cơ AC Servo của hãng sẽ phântheo ứng dụng của động cơ và sẽ được phân biệt dựa vào Seri kíhiệu

máy quán tính cao sẽ được đảm bảo Thích hợp cho cácmáy yêu cầu tăng tốc nhanh chóng

 Động cơ quán tính thấp (Sê-ri HF-KP): Phù hợp với một trục

phụ trợ đòi hỏi phải định vị tốc độ cao

môi trường sạch sẽ bởi không sử dụng bất cứ vít me bi nào

và do đó nhiễm bẩn từ dầu mỡ không phải là vấn đề

kết hợp dẫn động trực tiếp với mô-men xoắn cao với hệthống điều khiển có độ lợi cao sẽ mang lại khả năng tăngtốc và định vị nhanh chóng, giúp máy quay mượt mà hơn

2.3.3 Chức năng

AC Servo có khả năng thực hiện ba loại điều khiển: điều khiển vịtrí, điều khiển tốc độ, điều khiển momen

chính xác đến từng micromet mà mắt người không thểphát hiện được Ví dụ: điều khiển vị trí được sử dụng chocác thiết bị vận chuyển đứng trong kho

các thiết bị được biết đến như máy xi mạ quay được sửdụng để sản xuất mạch bán dẫn…

được sử dụng như máy in công nghiệp

2.3.4 Cấu tạo

AC Servo chủ yếu được cấu hình với hai thiết bị chính: bộkhuếch đại Servo (Driver Servo) và động cơ Servo ( thiết bị dò vàdẫn động ) Tuy nhiên, AC Servo không thể hoạt chỉ với bộ khuếchđại Servo và động cơ Servo Hệ thống cần một bộ điều khiển đểphát đi các lệnh điều khiển Bộ điều khiển gửi các lệnh tới bộkhuếch đại Servo, sau khi nhận được lệnh, bộ khuếch đại Servo sẽtruyền lệnh này tới động cơ Servo Sau đó động cơ Servo sẽ phát ra

lực dẫn động theo lệnh đó Động cơ Servo cũng được trang bị bộ mãhóa có chức năng như máy dò để dò vị trí hiện tại và chuyển thôngtin này tới bộ khuếch đại Servo Bộ khuếch đại Servo sẽ so sánh giátrị của lệnh với giá trị hiện tại như bộ mã hóa đã đọc được và sau đóđưa ra một lệnh sửa đổi để giảm tối thiểu mức chênh lệch Quátrình này gọi là điều khiển hồi tiếp.

2.4 DRIVER SERVO

Driver Servo là một bộ khuếch đại điện tử đặc biệt được sửdụng để theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo và liên tục điềuchỉnh độ lệch từ các hành vi dự kiến Drive Servo nhận được tín hiệulệnh từ một hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và truyền dòngđiện cho một động cơ Servo để tạo ra chuyển động tỉ lệ thuận vớitín hiệu lệnh Thông thường, tín hiệu lệnh đại diện cho một vận tốcmong muốn, nhưng cũng có thể biểu diễn một momen hoặc vị trímong muốn Một cảm biến gắn vào động cơ Servo báo cáo tìnhtrạng thực tế của động cơ quay trở lại bộ khuếch đại Động cơ Servosau đó so sánh trạng thái động cơ thực tế với trạng thái động cơđược chỉ định Sau đó, thay đổi tần số, điện áp hoặc độ rộng xungtới động cơ để sửa lỗi cho bất kỳ độ lệch nào từ trạng thái lệnh

Hình 2.3: Một Driver Servo của hãng Mitsubishi

Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình đúng cách, động

cơ Servo quay với vận tốc rất gần với tín hiệu vận tốc mà động cơServo nhận được từ hệ thống điều khiển Một số tham số, chẳnghạn như độ cứng (còn được gọi là tỷ lệ thuận lợi), giảm chấn (còngọi là đạt được phái sinh) có thể được điều chỉnh để đạt được hiệusuất mong muốn Mặc dù có nhiều động cơ Servo đòi hỏi một Drive

cụ thể cho thương hiệu động cơ hoặc kiểu động cơ cụ thể Tuynhiên, nhiều Drive hiện nay có thể tương thích với một loạt cácđộng cơ khác nhau

Dòng Servo thế hệ mới MR-J4 với công nghệ đứng đầu thế giới,như một kiệt tác về công nghệ điều khiển Servo Tính năng chốngrung chuyên dụng cho máy móc và autotuning thời gian thực làmcho việc chuyển động đạt được độ chính xác cao nhất, thời gian đápứng nhanh và dễ dàng lắp đặt Servo MR-J4, MR-J3 có kíchthước giảm khoảng 40% so với dòng Servo MR-J2S thế hệ trước

Để đáp ứng nhu cầu và ứng dụng điều khiển, Servo MR-J3 có 2dạng:

 Dòng MR-J4-A phù hợp cho những tác vụ điều khiểnthông thường về vận tốc, momen xoắn và vị trí

tổng thể, hệ nhiều trục chuyển động nội suy và đặc biệt

là hệ mạng điều khiển Servo với đường truyền cablequang (fiber)

Các đơn vị cấu hình (Plug & Play) để điều khiển chuyển độngcủa Mitsubishi Electric và hệ thống kiểm soát vị trí, mà chúng được

kết nối thông qua mạng tốc độ cao SSCNET III, trong đó có một chu

kỳ thời gian 0,44 phần nghìn giây Các MR-J3 với đầu ra từ 50W đến7kW

Những tính năng chính:

bình tốc độ phản ứng tần số 900Hz

 Tối ưu chi phí / lợi ích tỷ lệ

chuẩn

2.5 ENCODER

2.5.1 Khái niệm Encoder

Encoder được hiểu là một cảm biến vị trí đưa ra thông tin vềgóc quay, tốc độ của một trục xoay nào đó kết nối với nó Nguyên lý

cơ bản của Encoder gồm một đĩa xoay quay quanh trục, trên đĩa cócác lỗ hoặc rảnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa sẽ thu về được gócquay của đĩa Khi trục quay khiến đĩa quay, tin hiệu quang chiềuqua đĩa sẽ nhận tắt liên tục tao ra các xung, ghi nhận lại số xung vàtốc độ xung ta có thể thu về được góc quay và tốc độ quay của trụcgắn encoder

Hình 2.4: Encoder dùng trong công nghiệp

2.5.2 Phân loại Encoder

Encoder thường được phân làm 2 loại : encoder tuyệt đối(Absolute encoder) và encoder tương đối (Increamental encoder)

Encoder tuyệt đối: là dòng encoder có khả năng phản hồi

chính xác vị trí của trục động cơ so với điểm quy định sẵn ban đầu.Đĩa encoder tuyệt đối thường có nhiều rãnh có kích thước khácnhau và sắp xếp không đều để tín hiệu quang phát ra xuyên quarảnh đưa về được tín hiệu vị trí tại đó nhờ phân tích kích thước, sốlượng rảnh rồi biên dịch qua hệ nhị phân mà từ đó qui đổi ngược lạiđược ví trí của trục quay

Hình 2.5: Đĩa Encoder tuyệt đối

Encoder tương đối : là dòng encoder mà đĩa quay của nó cónhiều rảnh với kích thước bằng nhau và cách đều nhau, nhờ vậy khitín hiệu quang cứ đi qua mỗi rãnh thì lại có một xung tín hiệu ra chobiết trục quay đã quay được một góc bao nhiêu độ

Hình 2.6: Đĩa Encoder tương đối

Sự khác biệt giữa 2 loại encoder: encoder tuyệt đối sẽ có ưu

điểm vượt trôi hơn encoder tương đối với khả năng nhớ được vị tríchính xác trên một vòng quay của đĩa encoder hay trục kết nối Khinguồn bị mất do sự cố, khi có điện trở lại encoder tuyệt đối vẫn nhớđược ví trí của mình, hệ thống có thể hoàn thành công việc tiếp tục

mà không cần quay trở về vị trí ban đầu Tuy nhiên đi kèm với ưuđiểm vượt trội của encoder tuyệt đối đó là giá thành khá cao, điềukhiển phức tạp hơn và các thiệt bị hỗ trợ phải hiện đại, giá thànhcao hơn

2.6 HMI GOT 1000

GOT là dòng sản phẩm màn hình cảm ứng tiếp xúc, giao diệnngười – máy với những tính năng được thiết kế dựa trên những yêucầu của người sử dụng Các công tắc và đèn được gắn vào bảngđiều khiển giống như phần cứng của thiết bị Tuy nhiên, bằng việc

sử dụng phần mềm thiết kế màn hình, chúng ta có thể tạo ra, hiểnthị và thao tác trên màn hình giám sát của GOT, HMI dạng bảngcảm ứng.

Hình 2.7: Màn hình HIM GOT 1000

Màn hình hiển thị GOT được tạo ra trên máy tính nhờ phầnmềm chuyên dụng GT Designer Sử dụng GT Designer tạo ra cácchức năng cho GOT bằng cách cài đặt vào màn hình hiển thị cácthành phần có chức năng tương ứng như: công tắc, đèn, hiển thịsố… và các đối tượng khác Sau đó thực hiện cài đặt các thuộc tính,chức năng hoạt động kết nối với CPU PLC

2.7 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO

2.7.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử

Number of pulses per rotation (Số xung trên mỗi vòng quay):

đây là thiết lập rất quan trọng và là bắt buộc để việc điều khiển đạtđược đúng sự chính xác như mong muốn Đây là số xung yêu cầu

để động cơ servo hoàn thành một vòng quay mà số xung này phụthuộc vào số xung cố định trên đĩa encoder

Movement amount per roration (Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay): cài đặt khoảng di chuyển mà cơ cấu cơ khí liên kết với

trục động cơ như vít me, linear, bàn xoay,… Đơn vị thiết lập có thể

là mm đối với chuyển động tịnh tiến, độ với các hệ thống xoay haytrực tiếp tính bằng xung đối với những trường hợp đặc biệt

Pulse output mode (Chế độ phát xung): cài đặt phương pháp

truyền tín hiệu xung lệnh và hướng quay cho phù hợp với bộ điềukhiển servo được kết nối

Chế độ Đặc điểm Hình ảnh mô tả

Pulse/sign

(xung/tín hiệu)

- Số vòng quay cũng như tốc độ quay phụ thuộc vào tín hiệu xung

- Tín hiệu quay thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay.

- Ta có thể điều khiển chiều quay của servo thông qua 2 ngõ nhận xung Khi ngõ A nhận xung thì động cơ quay theo chiều kim đồng

hồ, ngõ B nhận xung thì ngược lại.

- Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trực tiếp trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo.

(xung/ xung)

- Hướng quay điều khiển bợi độ lếch pha giữa 2 ngõ phát xung.

- Quay thuận khi pha B trễ pha hơn so với pha

A 90 độ.

- Quay nghịch khi pha

A trễ pha hơn so với pha B 90 độ.

Bảng 2.6: Nguyên lý phát xung điều khiển động cơ Servo

Output signal logic (Tín hiệu logic đầu ra): có thể lựa chọn một

trong hai chế độ Positive logic – nhận lệnh mức High hoặc Negativelogic – nhận lệnh mức low

Rotation direction setting (Thiết lập hướng quay): chiều quay

thuận nghịch của động cơ servo thực tế là không có mặc định.Hướng ngay được chỉ định theo chiều kim đồng hồ hoặc ngượcchiều kim đồng hồ Chính vì thế ta phải thiết lập hướng quay cho bộđiều khiển servo bằng cách cài đặt động cơ quay theo chiều mà giátrị vị trí báo về là dương nghĩa là quay thuận và ngược lại là quaynghịch

Hình 2.8: Minh họa chiều quay của động cơ

Cài đặt hành trình cho hệ thống: để tranh hỏng hóc cũng như

những điều không mong muốn xảy ra khi điều khiển có sai xót, hệthống cần được chỉ định hành trình di chuyển tối đa Có 2 cách đểcài đặt điều này, cách đầu tiên là cài đặt bằng phần mềm qua cácthông số upper limit và lower limit trong parameter của driver

servo, cách thứ 2 là dùng các công tắc hành trình hay cảm biến đểgiới hạn chuyển động cho động cơ.

Hình 2.9: Giới hạn hành trình cho cơ cấu

Về Home cho hệ thống (Zero Point Return): Điều quan trọngtrước khi vận hành đó chính là về vị trí định trước cho hệ thốngtrước khi vận hành Thông thường giá trị của điểm về Home sẽ là 0

Hình 2.10: Về Home cho hệ thống

2.8 HỆ THỐNG CƠ KHÍ ẢO

2.8.1 Điều khiển đồng bộ

Hình 2.11: Tổng quan về hệ thống cơ khí ảo

Điều khiển động bộ trong hệ thống servo đạt được nhờ sửdụng ứng dụng hệ thống cơ khí ảo thay cho hệ thống cơ khí thựcnhư trục cam, bánh răng, ly hợp, bánh răng vi sai…

Điều khiển động bộ có nghĩa là điều khiển một hay nhiều động

cơ, cơ cấu theo một động cơ, cơ cấu khác theo những quy định, tỷ

số nhất định do người điều khiển cài đặt cho phù hợp với các ứngdụng cụ thể

2.8.2 Module truyền động – trục đầu vào

Trục đầu vào sẽ gồm có 3 loại đầu vào chính: trục Servo thực

(Servo input axis), trục Servo phụ (Command genration axis) vàEncoder đồng bộ (Synchronous encoder axis)

Trục Servo thực (Servo input axis): sử dụng trục chính đầu vào

bằng một trong những động cơ servo sẵn có trong hệ thống nhưbăng tải, vít me, bàn xoay, linear,… để dẫn động cho khác chi tiếtcác Các cơ cấu phụ sẽ chuyển động dựa trên chuyển động của trụcservo cài đặt theo những thông số nhất định thiết lập trên hệ thống

Hình 2.12: Kí hiệu của trục Servo thực

Trục Servo phụ (Command genration axis): sử dụng một trục

servo ảo không có bên ngoài hệ thông thực mà chỉ hiển thị hay điềukhiển bên trong phần mềm, bộ xử lý để quay trục chính trong chế

độ đồng bộ Các động cơ, kết cấu khác cũng chuyển động dựa trênđộng cơ servo ảo này

Hình 2.13: Kí hiệu của trục Servo phụ

Encoder đồng bộ (Synchronous encoder axis): sử dụng một

encoder đồng bộ có thể là encoder tuyệt đối hay tương đối đượcgắn trong một cơ cấu xoay nào đó của hệ thống ví dụ như đầu trụcđộng cơ điều khiển bởi biến tần hay các bàn xoay làm trục chính

cho hệ thống cơ khí ảo và dẫn động cho các chi tiết, cơ cấu còn lạitrong hệ thống.

Hình 2.14: Kí hiệu của trục Servo thực

2.8.3 Các Module dẫn động

Hình dáng bên ngoài Tên Chức năng

Gear Được sử dụng để thay đổi tỷ lệ

vòng quay hoặc hướng quay cho giá trị quãng đường (xung) được nhập từ module ổ đĩa Cutch Được sử dụng để truyền vòng

quay module ổ đĩa đến module đầu ra trong lúc vận hành Differential gear Được sử dụng để dịch chuyển

pha module đầu ra để điều chỉnh vị trí bắt đầu vận hành

Speed change gear

Được sử dụng để thay đổi tốc

độ của module ngõ ra

Bảng 2.7: Các module dẫn động cơ bản

Bánh răng (gear): được sử dụng để truyền đến trục đầu ra số

xung đạt được bằng cách nhân số xung trục đầu vào với tỉ lệ bánhrăng Tỷ lệ bánh răng được tính bằng cách chia “số bánh răng trụcđầu vào” cho “số bánh răng trục đầu ra”

Ly hợp (clutch): ly hợp truyền các xung lệnh từ trục đầu vào

đến mô đun đầu ra và ngắt chúng, thường được sử dụng để điềukhiển khởi động hoặc dừng vận hành trục đầu ra (động cơ servo)

Có 2 loại ly hợp là ly hợp cứng và ly hợp mềm, tùy vào mục đích sử

dụng trong việc tăng tốc giảm tốc mà sử dụng các loại ly hợp khácnhau.

Hình 2.15: Ly hợp và cách thức hoạt động

Bánh răng đổi tốc độ (speed change gear): được sử dụng để

thay đổi tốc độ vòng quay và giá trị quãng đường cho mô đun đầu

ra trong khi vận hành Đối với bánh răng đã nêu ở trên, tỉ số bánh răng được cài đặt là cố định Khi sử dụng bánh răng đổi tốc độ ta có thể thay đổi giá trị chuyển đổi này một cách linh hoạt bằng cách tácđộng vào vùng nhớ đã cài đặt sẵn Tỷ lệ được tính tương tự như bánh răng đã nêu ở trên

Bánh răng vi sai (Differential gear): bộ bánh răng vi sai trừ giá

trị quãng đường trục đầu vào phụ từ giá trị quãng đường từ của trụcchính rồi truyền đến trục đầu ra Nếu trục chính không hoạt độngthì trục phụ liên kết với bánh răng vi sai sẽ dẫn động trục đầu ranhưng với chiều ngược lại so với trục chính Giá trị quãng đườngtrục đầu ra sẽ bằng giá quãng đường trục đầu vào chính trừ cho giátrị quãng đường trục phụ kết nối với bánh răng vi sai

2.8.4 Module đầu ra – đĩa CAM

Đĩa cam được sử dụng để di chuyện một máy đã kết nối đếnđộng cơ servo theo mẫu đĩa cam đã xác định Đĩa cam tạo nên mộtvòng quay với số xung trên mỗi vòng quay trục đĩa cam

Hình 2.16: Kí hiệu Module đầu ra – đĩa cam

Đĩa cam thường được chia làm 3 loại :

vòng cam tương tự như cam cơ khí ngoài thực tế Vị trí kếtthúc sẽ phải về điểm xuất phát ban đầu để quá trình lặp lạiđược đúng

nhật sau mỗi chu kỳ quay của cam Vị trí kết thúc sẽ là vị tríđầu tiên của chu kì tiếp theo

thống cơ khí ảo mới có Đĩa cam hoạt động gần giống nhưfeed operation nhưng dữ liệu cam là một đường xéo với điểmcuối cũng ứng với quãng đường dịch chuyển của cơ cấu trongmột chu kỳ cam

2.9 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MOTION SFC

2.9.1 Sơ lược về việc sử dụng ngôn ngữ SFC

Dựa vào cấu trúc chương trình thông thường sẽ phân ra làmhai cấu trúc chính đó là: Chương trình tuần tự (CPU PLC) và chươngtrình chuyển động SFC (CPU chuyển động) Các chương trình CPUchuyển động được tạo ra trong SFC Chuyển động của định dạng sơ

đồ Việc điểu khiển chuyển động của các động cơ servo được thựchiện sử dụng các chương trình servo chế độ thực xác định bởi cácbước điều khiển chuyển động trong chương trình SFC Chuyển động.Các động cơ servo ảo trong một chương trình hệ thống cơ khí đượcđiều khiển sử dụng các chương trình servo chế độ ảo xác định bởicác bước điều khiển chuyển động để cho phép điều khiển đồng bộchế độ ảo Bằng cách thiết lập các tham số điều khiển đồng bộ vàbắt đầu điều khiển đồng bộ cho mỗi trục đầu ra, điều khiển đồng bộ