Hệ thống chiết rót chất lỏng ứng dụng động cơ servo đồ ánn tốt nghiệp khoa công nghệ điện

Nhưng dù máy móc có hiện đại đến đâu cũng không thể thay thế hoàn toàn cho con người, do đó nhóm em quyết định chọn đề tài “ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ SERVO ” để hỗ t

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG

DỤNG ĐỘNG CƠ SERVO

BÙI ĐỨC HƯNG 14017801

LÊ PHƯƠNG NAM 14013801

GVHD: TS NGÔ THANH QUYỀN

TP.HCM <2018>

1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài

Lê Phương Nam MSSV: 14013801

+ Tìm hiểu lập trình được cho module điều khiển vị trí FX2N-20GM

+ Đọc, hiểu và khắc phục sự cố tủ điện điều khiển

+ Đọc hiểu sử dụng phần mềm FX-PCS-VPS/WIN-E của bộ điều khiển FX2N-20GM

+ Sử dụng vi xử lý lập trình điều khiển trục Z theo đúng hành trình

Mô hình chạy theo đúng thiết kế

Giảng Viên Hướng Dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2018

Sinh viên

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 6 năm 2018

Giảng Viên Hướng Dẫn

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1.Lí Do Chọn Đề Tài 1

1.2 Mục Tiêu Của Đề Tài 1

1.3 Phương Pháp Nghiên Cứu 1

1.4 Ý Nghĩa Của Đề Tài 2

2.1 Khái Niệm Máy Chiết Rót 3

2.2 Cấu Tạo Và Chức Năng Của Máy Chiết Rót 3

2.3 Bộ Điều Khiển 4

2.4 Máy Chiết Rót Thực Tế Sử Dụng Ac Servo Motor 4

3.1 Thiết Kế Cơ Khí 5

3.1.1 Các Thông Số Thiết Kế Ban Đầu 5

3.1.2.Cấu Tạo Của Máy Chiết Rót 5

3.2 Thiết Kế Tủ Điện 8

4.1 Khái Niệm Servo 10

4.1.1 Cơ Cấu Định Vị 10

4.1.2 Hệ Thống Điều Khiển 11

4.1.3 Bộ Điều Khiển Pid 12

4.2 Sự Khác Biệt So Với Motor Thường 13

4.2.1 Tăng Tốc Độ Đáp Ứng 13

4.2.2 Tăng Khả Năng Đáp Ứng 14

4.2.3 Mở Rộng Vùng Điều Khiển (Control Range) 14

4.2.4 Khả Năng Ổn Định Tốc Độ 15

4.2.5 Tăng Khả Năng Chịu Đựng Của Động Cơ 15

4.3 Nguyên Lý Hoạt Động Của Encoder 15

4.4 Động Cơ Ac Servo Hk-Kfs-13 Và Driver Mr-J2s-10a 16

4.4.1 Giới Thiệu Driver Mr-J2s-10a 16

4.4.2 Động cơ servo HC-KFS13 17

4.5 SƠ ĐỒ KẾT NỐI 18

4.5.1 Kết Nối Ngoại Vi 18

4.5.2.Sơ Đồ Kết Nối CN1A Và CN1B 20

4.5.3 Sơ Đồ Mạch Điều Khiển 23

4.6 Bảng Tham Số 23

4.7 Lưu Đồ Màn Hình 28

4.8 Quy Trình Vận Hành 33

4.8.1 Kiểm Tra Trước Khi Vận Hành 33

4.8.2 Trình Tự Vận Hành 33

4.9 Cài Đặt Các Tham Số Trên Mô Hình 34

4.10.Các Lỗi Và Cảnh Báo Của Servo 36

4.11 Hệ Thống Phát Hiện Vị Trí Tuyệt Đối 37

4.11.1 Đặc Điểm 37

4.11.2.Cấu Hình 38

4.11.3.Quy Trình Ban Đầu 39

CHƯƠNG 5: BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ FX2N-20GM 40

5.1 Tổng Quan Về Bộ Điều Khiển Vị Trí Fx2n-20gm 40

5.1.1.Sơ Lược Về FX2N-20GM 40

5.1.2.Kích thước bên ngoài 40

5.1.3 Đặc điểm kỹ thuật 41

5.1.4.Tên Các Thành Phần 42

5.1.5.Led Chỉ Thị 42

5.1.6.Đặc Điểm Ngõ Vào, Ngõ Ra 43

5.1.7.Đầu Kết Nối I/O 45

5.1.8.Kết Nối Mở Rộng I/O 46

5.1.9.Kết Nối PLC 46

5.1.10 Sơ Đồ Kết Nối FX2N-20GM Với Động Cơ Servo MR-J2S-10A 48

5.2 Tập Lệnh 50

5.3 Cài Đặt Thông Số 52

5.3.1.Cấu Hình Hệ Thống 52

5.3.2 Cài Đặt Thông Số: 52

CHƯƠNG 6: PHẦN MỀM FX-PCS-VPS/WIN-E VÀ THIẾT BỊ NGOẠI VI TRỤC Z 55

6.1 Phần Mềm Fx-Pcs-Vps/Win-E 55

6.1.1 Giới Thiệu: 55

6.1.2.Giao Diện Của Phần Mềm 55

6.1.3 Lập Trình Lưu Đồ 58

6.2 Thiết Bị Ngoại Vi Trục Z 60

6.2.1 Động Cơ Bước (Step Motor) 60

6.2.2 Máy Bơm Chất Lỏng 62

CHƯƠNG 7: ĐIỀU KHIỂN MÁY CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG 64

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

LỜI CẢM ƠN 72

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Máy chiết rót sử dụng AC servo trong thực tế 4

Hình 3 1 Mô hình máy chiết rót 5

Hình 3 2 Chi Tiết Máy 6

Hình 3 3 Cấu tạo vitme đai ốc bi 6

Hình 3 4 Bộ phận trục X 7

Hình 3 5 Bộ phận trục Y 7

Hình 3 6 Bố trí thiết bị 8

Hình 3 7 Bố trí đèn báo nút nhấn 9

Hình 4 1 Mô hình của một hệ thống 10

Hình 4 2 Một số ví dụ về cơ cấu 10

Hình 4 3 Điều khiển vòng kín 11

Hình 4 4 Cấu hình của một hệ thống servo 11

Hình 4 5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 12

Hình 4 6 Thành phần chính của encoder 16

Hình 4 7 Nhãn mác của Driver 16

Hình 4 8 Giao diện interface của amplifier 17

Hình 4 9 Tổng quan bộ driver servo 17

Hình 4 10 Động cơ AC servo HC-KFS13 18

Hình 4 11 Kết nối ngoại vi 19

Hình 4 12 Sơ đồ kết nối các chân CN1A và CN1B 20

Hình 4 13 Sơ đồ mạch điều khiển 23

Hình 4 14 Lưu đồ màn hình 29

Hình 4 15 Màn hình hiển thị cài đặt thông số 32

Hình 4 16 Giao diện chế độ test 32

Hình 4 17 Khối terminal mạch điều khiển 33

Hình 4 18 Hệ thống phát hiện vị trí tuyệt đối 37

Hình 4 19 Quy trình cài đặt pin 39

Hình 5 1 Kích thước FX2N-20GM 40

Hình 5 2 Các thành phần của FX2N-20GM 42

Hình 5 3 Led chỉ thị và công tắc Manu/Auto 43

Hình 5 4 Sơ đồ chân đầu kết nối I/O 45

Hình 5 5 Kết nối khối mở rộng 46

Hình 5 6 Kết nối với PLC 47

Hình 5 7 Sơ đồ kết nối FX2N- 20GM và động cơ servo 48

Hình 5 8 Cài đặt thông số cho Dog switch 49

Hình 5 9 Đấu nối ABS phát hiện vị trí tuyệt đối 50

Hình 5 10 Cấu hình hệ thống 52

Hình 5 11 Tỷ số electronic gear (Servo Amplifier) 52

Hình 6 1 Giao diện chính của phần mềm 55

Hình 6 2 Giao diện lưu đồ 56

Hình 6 3 Cửa sổ Mô phỏng 57

Hình 6 4 Cửa sổ Program in text 59

Hình 6 5 Comment 59

Hình 6 6 Parameter 60

Hình 6 7 Sơ đồ kết nối độc cơ bước 61

Hình 6 8 Phần mềm Arduino IDE 62

Hình 6 9 Máy bơm DC12V-MB4090 63

Hình 7 1 Giao diện điều khiển khi chưa khởi chạy 65

Hình 7 2 Chọn chế độ điều khiển 66

Hình 7 3 Tủ điều khiển 66

Hình 7 4 Giao diện điều khiển khi đã khởi chạy 67

Hình 7 5 Chương trình đang hoạt động chế độ Auto 67

Hình 7 6 Báo lỗi 68

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4 1 Thông số cơ bản của động cơ HC-KFS13 18

Bảng 4 2 Tên và ký hiệu các chân CN1A và CN1B 21

Bảng 4 3 Bảng tham số servo Amplifier MR-J2S-10A 24

Bảng 4 4 Bảng giải thích các ký hiệu trên lưu đồ màn hình 29

Bảng 4 5 Các tham số được cài đặt thực tế trên mô hình 34

Bảng 4 6 Các lỗi, cảnh báo thường gặp 36

Bảng 5 1 Đặc điểm ngõ vào FX2N-20GM 43

Bảng 5 2 Đặc điểm ngõ ra FX2N-20GM 44

Bảng 5 3 Tập lệnh FX2N-20GM 50

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lí Do Chọn Đề Tài

Trong nền công nghiệp 4.0 như hiện nay, công nghiệp hóa hiện đại hóa phát triển mạnh mẽ Dẫn đến nhu cầu máy móc thay thế cho con người trong các môi trường công việc độc hại và nguy hiểm ngày càng tăng cao Nhưng dù máy móc có hiện đại đến đâu cũng không thể thay thế hoàn toàn cho con người, do đó nhóm em quyết định chọn đề tài “ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ SERVO ” để hỗ trợ và làm tăng sự an toàn cho các nhà khoa học trong quá trình nghiên cứu của họ khi phải tiếp xúc trực tiếp với các chất độc hại, chất hạn chế tiếp xúc và chất cần xử lí ở môi trường đặc biệt

Chúng em đã ứng dụng các ưu điểm của động cơ servo (Momen trên các trục đều, tốc độ cao, mạch điều khiển chính xác và đều, độ chính xác cao) để đảm bảo chọn đúng vị trí công tác Hạn chế thấp nhất có thể sự sai sót về vị trí trong quá trình sử dụng

1.2 Mục Tiêu Của Đề Tài

Nội dung nghiên cứu của đề tài “ Hệ Thống Chiết Rót Chất Lỏng Ứng Dụng Động Cơ Servo ” :

+ Tìm hiểu và điều khiển được động cơ AC servo Cài đặt các thông số cho driver servo

+ Tìm hiểu lập trình được cho module điều khiển vị trí FX2N-20GM

+ Đọc, hiểu và sửa lỗi tủ điện điều khiển

+ Đọc hiểu sử dụng phần mềm FX-PCS-VPS/WIN-E của bộ điều khiển 20GM

FX2N-+ Sử dụng vi xử lý lập trình điều khiển trục Z theo đúng hành trình

1.3 Phương Pháp Nghiên Cứu

Đề tài sử dụng động cơ AC servo để truyền động cho hai trục X,Y điều khiển bằng bộ điều khiển FX2N-20GM một cách độc lập hoặc đồng thời chạy đúng theo hành trình thiết kế Dùng vi xử lý Arduino Uno R3 để điều khiển động cơ bước truyền động đầu chiết rót Điều khiển bơm theo lưu lượng cố định bằng bộ điều khiển

1.4 Ý Nghĩa Của Đề Tài

Đề tài “Hệ Thống Chiết Rót Chất Lỏng Ứng Dụng Động Cơ Servo” mô phỏng máy chiết rót thiết kế dưới dạng compact đơn khối gồm các module điều khiển vị trí, servo driver, PLC, màn hình touch screen và panel điều khiển (giao diện người thao tác - operator interface) Giúp sinh viên nắm được cách cài đặt thông số cho driver của

AC servo, đấu nối AC servo với bộ điều khiển, ứng dụng của AC servo trong thực tế,

có kinh nghiệm trong việc nắm bắt các dòng AC servo khác nhau Nắm bắt được công việc lập trình trong thực tế, việc soạn chương trình có thể được thực hiện theo hai cách: lập trình tự động bằng tay nhờ panel điều khiển và lập trình tự động bằng máy tính

Sau khi hoàn thành đề tài sinh viên có khả năng đọc và tìm hiểu tài liệu cho các sản phẩm sử dụng trong đề tài, nắm bắt và làm chủ được công nghệ Để hoàn thành để tài sinh viên cần phải vận dụng tất cả những kiến thức đã được học trong suốt quá trình đồng thời là một cơ hội sinh viên kiểm tra lại kiến thức mình đã có những gì và thiếu sót những gì để tìm tòi, nghiên cứu trang bị những kiến thức còn thiếu trước khi ra trường và bước vào môi trường làm việc thực tế

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY CHIẾT RÓT 2.1 Khái Niệm Máy Chiết Rót

Máy chiết rót là loại thiết bị được sử dụng để chiết các loại chất lỏng vào trong dụng cụ đựng với một lưu lượng cố định dựa trên dây chuyền tự động

Máy chiết rót trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, thức uống, hóa chất,… ngày nay giữ một vai trò hết sức quan trọng trong việc vận hành dây chuyền sản xuất đóng gói, hỗ trợ tối đa giúp đẩy mạnh năng suất lao động, tối ưu doanh thu, tối thiểu hóa chi phí sản xuất đóng gói

2.2 Cấu Tạo Và Chức Năng Của Máy Chiết Rót

Máy chiết rót gồm phần chính là máy bơm, dùng để bơm chính xác lưu lượng chất lỏng vào Lưu lượng bơm cần phải có độ chính xác cao, tốc độ xử lí nhanh và áp suất đều…

Máy chiết rót đơng giản thường chỉ có bơm và băng tải không kể trục chính Truyền động các trục nhờ động cơ servo (DC, AC, bước) và servo driver kèm encoder Truyền động trục chính dùng động cơ AC ba pha và biến tần hay cua-roa đổi tốc

Phần chính yếu của máy chiết rót là vi xử lý 16 bit hay 32 bit, Vi xử lý cùng với các linh kiện hổ trợ tạo thành bộ điều khiển chiết rót có nhiệm vụ:

- Chuyển đổi thực tế ra các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành

- Xuất các tín hiệu điều khiển ra servo driver, biến tần… (di chuyển bàn máy, dao cắt, quay trục chính, thay đổi vận tốc trục chính, thay dao,…)

- Đọc vị trí hồi tiếp từ encoder, đọc tín hiệu digital điều khiển rơle cho các thao tác tuần tự

- Giao tiếp với panel điều khiển, gồm có màn hình, bàn phím, các núm, công tắc đèn báo Thông qua panel điều khiển có thể điều khiển bằng tay một số chức năng của máy, hiệu chỉnh máy, cho máy chạy chương trình điều khiển trong bộ nhớ, nạp chương trình điều khiển từ máy tính ngoài qua đường truyền nối tiếp,

từ đĩa mềm hay băng đục lỗ vào bộ nhớ Một số máy được kết hợp với các máy trước và sau công đoạn chiết rót

- Thông báo trên màn hình tình trạng hoạt động của máy, các sự cố và hướng dẫn khắc phụ ở chế độ monitor

2.3 Bộ Điều Khiển

Hiện nay, bộ điều khiển thường được thiết kế dưới 3 dạng:

- Sử dụng máy tính PC lập trình trong môi trường DOS hay windows (pc-based control) với card điều khiển chuyển động và các giao diện cần thiết khác gắn vào máy tính qua các slot, giao diện người - máy thông qua màn hình và bàn phím, con chuột

- Thiết kế dưới dạng compact đơn khối gồm các module điều khiển vị trí, servo driver, PLC, màn hình touch screen và panel điều khiển (giao diện người thao tác - operator interface)

- Bộ điều khiển gồm board vi xử lý (hoặc vi điều khiển) và các module nhớ, giao diện ngoại vi, servo driver, màn hình và panel điều khiển, giao tiếp máy tính theo đường truyền RS232 hay 485

2.4 Máy Chiết Rót Thực Tế Sử Dụng Ac Servo Motor

Hình 2 1 Máy chiết rót sử dụng AC servo trong thực tế

CHƯƠNG 3: SƠ LƯỢC PHẦN CỨNG 3.1 Thiết Kế Cơ Khí

3.1.1 Các Thông Số Thiết Kế Ban Đầu

- Kích thước bàn máy: 415x410x250 (mm)

- Hành trình di chuyển trục X: 280 (mm)

- Hành trình di chuyển trục Y: 260 (mm)

- Động cơ điều khiển trục X: 100 (W), 3000 (vòng/phút)

- Động cơ điều khiển trục Y: 100 (W), 3000 (vòng/phút)

- Máy bơm: 3 (W)

Hình 3 1 Mô hình máy chiết rót

3.1.2 Cấu Tạo Của Máy Chiết Rót

Hình 3 2 Chi Tiết Máy

- Chi tiết các thành phần máy chiết rót:

1 Bàn máy

2 Động cơ servo điều khiển trục X

3 Động cơ servo điều khiển trục Y

4 Động cơ bước (step motor)

Hình 3 3 Cấu tạo vitme đai ốc bi

Hình 3 5 Bộ phận trục Y

Hình 3 7 Bố trí đèn báo nút nhấn

POWER: Đèn báo nguồn hệ thống

ALARM: Đèn báo lỗi

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ

SERVO 4.1 Khái Niệm Servo

Servo là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí hoặc tốc độ mục tiêu giá trị

Hình 4 1 Mô hình của một hệ thống

4.1.1 Cơ Cấu Định Vị

Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vị trí và tốc độ Sau đây là một số vị dụ về cơ cấu định vị:

-Cơ cấu định vị đơn giản:

Hình 4 2 Một số ví dụ về cơ cấu

Các ví dụ (hình) về cơ cấu này đó là xylanh, trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm

Ưu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ cao Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor Cơ cấu này có thể được điều khiển vòng hở, nửa kín hay vòng kín

Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đích và tốc độ của cơ cấu chấp hành Cơ cấu chuyển động định hướng Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định từ bộ điều khiển Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến quay

vị trí của bàn chạy Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ

- Cấu hình của hệ thống Servo:

Hình 4 4 Cấu hình của một hệ thống servo

4.1.3 Bộ Điều Khiển Pid

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống - trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông

số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hình 4 5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt

là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai

số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển

có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều

khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một

bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

4.2 Sự Khác Biệt So Với Motor Thường

Về kết cấu và hoạt động của động cơ servo về cơ bản giống với động cơ thường Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao, kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiện cơ khí

Không phải bất kỳ động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ serco Động cơ servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Chính vì thế

nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển Về cơ bản thì một servo motor và một động cơ bình thường giống nhau về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động (cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, …) Tuy nhiên tùy theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho những mục đích đặc biệt) so với động cơ thường

4.2.1 Tăng Tốc Độ Đáp Ứng

Các động cơ bình thường, muốn chuyển động từ tốc

độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng thời gian quá

độ Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải

tăng giảm tốc nhanh chóng, để đạt được một tốc độ mong

muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt được một vị trí

mong muốn nhất

Các động cơ thường không thể đáp ứng điều này Để động cơ đáp ứng được yêu cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ

Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động

cơ Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại

bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet)

4.2.2 Tăng Khả Năng Đáp Ứng

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/ giảm tốc

cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như

là một hằng số

Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyển đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí

4.2.3 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 hơn định mức

rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện

áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của

động cơ và thông thường không quá lớn so với

điện áp định mức

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế

đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bảo hòa mạch từ trong động cơ Như động cơ servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng săt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare earth)

4.2.4 Khả Năng Ổn Định Tốc Độ

Động cơ servo loại này thường được thiết kế

sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định

Như ta đã biết là không có mạch điện hoàn

hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế

Chính vì thiết một động cơ quay 1750 rpm không

có nghĩa là nó luôn quay ở 1750 rpm 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 dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot) Nó được thiết

kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ

4.2.5 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 hiệu điều khiển ở tần số rất cao 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 này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đối với DC)

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

4.3 Nguyên Lý Hoạt Động Của Encoder

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đèn led không chiếu xuyên qua được Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu (photosensor) 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 Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một

lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder Encoder được chia thành 2 loại là encoder tương đối và encoder tuyệt đối

Hình 4 6 Thành phần chính của encoder

4.4 Động Cơ Ac Servo Hk-Kfs-13 Và Driver Mr-J2s-10a

4.4.1 Giới Thiệu Driver Mr-J2s-10a

- Nhãn mác của bộ khuếch đại và ý nghĩa trên nhãn

Hình 4 7 Nhãn mác của Driver

- Giao diện interface của ampifier

Loại Servo Amplifier Công suất

Thông số ngõ vào

Thông số ngõ ra

Số serial

Hình 4 8 Giao diện interface của amplifier

- Tổng quan bộ driver servo

Hình 4 9 Tổng quan bộ driver servo

4.4.2 Động cơ servo HC-KFS13

- Các bộ phận chính của động cơ

Đế pin Dây nối pin

Led hiển thị

Các nút nhấn để chọn chế độ

CN1A CN1B CN3 Nhãn mác Đèn báo nguồn CN2

Nguồn mạch chính

Nguồn mạch điều khiển

Nối đất bảo vệ PE

Lỗ để vít xuống đế

Hình 4 10 Động cơ AC servo HC-KFS13

- Bảng thông số cơ bản của động cơ

Bảng 4 1 Thông số cơ bản của động cơ HC-KFS13

Loại động cơ HC-KFS13

Độ phân giải [pulse/rev] 131072

Công suất đầu ra [W] 100

- Mô tả dây kết nối: Sử dụng nguồn xoay chiều 1 pha 230V

 Kết nối nguồn cung cấp đến L1, L2 và bỏ L3

 U, V, W cấp nguồn cho motor ( U: dây màu đỏ, V: dây màu trắng, W: dây màu đen bên trong cable nguồn cho motor)

 PE: Nối đất bảo vệ

 MC: Cuộn dây contactor

Dây encoder

Nguồn động cơ

 CN1A, CN1B: Kết nối ngoại vi

 CN3: Kết nối với máy tính

 CN2: Dây encoder kết nối với motor servo

Hình 4 11 Kết nối ngoại vi

4.5.2 Sơ Đồ Kết Nối CN1A Và CN1B

- Sơ đồ các chân CN1A và CN1B theo chế độ điều khiển vị trí (sử dụng module điều khiển vị trí FX-10GM làm ví dụ)

Hình 4 12 Sơ đồ kết nối các chân CN1A và CN1B

- Tên tín hiệu và ký hiệu

Bảng 4 2 Tên và ký hiệu các chân CN1A và CN1B

Kí hiệu Tên kí hiệu

LOP Thay đổi điều khiển

VC Điều khiển tốc độ analog

VLA Giới hạn tốc độ analog

TLA Giới hạn momen analog

TC Điều khiển momen analog

VDD Nguồn bên trong I/F

COM Ngõ vào nguồn digital I/F

OPC Ngõ vào nguồn open colector

SG Chân chung I/F digital

P15R Nguồn cung cấp 15V

LG Chân chung điều khiển

SD Shield

4.5.3 Sơ Đồ Mạch Điều Khiển

Hình 4 13 Sơ đồ mạch điều khiển

Bảng 4 3 Bảng tham số servo Amplifier MR-J2S-10A

Đơn vị

0 STY Lựa chọn các chế độ

điều khiển, chế độ hãm

Vị trí, tốc độ, momen

5 INP Phạm vi trong vị trí Vị trí 100 Xung

6 PG1 Tỉ số điều khiển vị trí Vị trí 35 Rad/s

7 PST Cài đặt thời gian tăng,

11 STA Thời gian tăng tốc Tốc độ, momen 0 ms

12 STB Thời gian giảm tốc Tốc độ, momen 0 ms

13 STC Thời gian tăng tốc,

momen

20 OP2 Lựa chọn chức năng 2 Vị trí, tốc độ 0000

21 OP3 Lựa chọn chức năng 3 Vị trí, tốc độ 0000

22 OP4 Lựa chọn chức năng 4 Vị trí, tốc độ,

35 PG2 Vị trí hồi tiếp 2 Vị trí 35 Rad/s

36 VG1 Tốc độ hồi tiếp 1 Vị trí, tốc độ 177 Rad/s

37 VG2 Tốc độ hồi tiếp 2 Vị trí, tốc độ 817 Rad/s

0000

42 DI1 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 1

Vị trí, tốc độ, momen

0003

43 DI2 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 2

Vị trí, tốc độ, momen

0111

44 DI3 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 3

Vị trí, tốc độ, momen

0222

45 DI4 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 4

Vị trí, tốc độ, momen

0665

46 DI5 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 5

Vị trí, tốc độ, momen

0770

47 DI6 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 6

Vị trí, tốc độ, momen

0883

48 DI7 Lựa chọn tín hiệu đầu

vào 7

Vị trí, tốc độ, momen

0994

49 DO1 Lựa chọn tín hiệu đầu

ra 1

Vị trí, tốc độ, momen

momen

55 OPA Chức năng lựa chọn A Vị trí 0000

56 SIC Lựa chọn thời gian

giao tiếp

Vị trí, tốc độ, momen

Hình 4 14 Lưu đồ màn hình

- Bảng giải thích các ký hiệu trên lưu đồ màn hình

Bảng 4 4 Bảng giải thích các ký hiệu trên lưu đồ màn hình

Tên Kí hiệu Đơn vị Mô tả

Xung

hồi tiếp

C Xung Phản hồi xung từ encoder động cơ servo được

tính và hiển thị Các giá trị vượt quá ±99999 thì chỉ hiển thị 5 số thấp của giá trị thực Bấm SET

để thiết lập các giá trị hiển thị để thiết lập về zero Tốc độ

P Xung Các xung đầu vào lệnh vị trí được tính và hiển

thị Khi giá trị chưa được nhân với tỉ số CMX/CDV, nó có thể không khớp với các dấu hiệu của sự tích lũy xung phản hồi Các giá trị vượt quá ±9999 được đếm, nhưng servo chỉ hiển thị năm chữ số cuối của giá trị thực Bấm SET để thiết lập giá trị về zero

Tần số

xung

điều

khiển

n kpps Tần số xung đầu vào lệnh vị trí được hiển thị Giá

trị hiển thị chưa nhân tỉ số truyền CMX/CDV

F V (1) Chế độ điều khiển momen

Điện áp giới hạn tốc độ tương tự (VLA) được hiển thị

(2) Chế độ điều khiển tốc độ tương tự Điện áp điều khiển tốc độ tương tự (VC) được hiển thị

Tỷ số

hãm tái

sinh tải

L % Tỷ số năng lƣợng hãm tái sinh với năng lƣợng

hãm tái sinh cho phép đƣợc hiển thị dạng %

b % Momen lớn nhất đƣợc tạo ra trong suốt quá trình

tăng tốc Giá trị cao nhất trong 15s đầu đƣợc hiển thị so với momen định mức theo tỷ lệ 100% Momen

tức thời

T % Momen tức thời đƣợc hiển thị Giá trị của momen

đƣợc hiển thị trong thời gian thực so với momen định mức theo tỷ lệ 100%

Bộ đếm

ABS

LS Vòng Giá trị dịch chuyển từ vị trí gốc trong hệ thống

phát hiện vị trí tuyệt đối đƣợc hiển thị

Tỷ số

momen

quán

tính tải

dC Lần Tỷ số ƣớc lƣợng của momen quán tính tải đến

momen quán tính trục động cơ servo đƣợc hiển thị