Nghiên cứu các chế độ làm việc của động cơ servo hãng yaskawa

Như trong các nhà máy xí nghiệp ở các phương tiện lao động như: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, cánh tay robot ...Cơ cấu servo được sử dụng trong các máy công cụ tự động, ăng-t

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước thời kỳ công nghiệp hoá-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 những nhiệm

vụ nặng nề Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt huyết của những trí thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tương lai Với sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tự động hóa - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày Trong đó Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triển nhanh trong ngành điều khiển và tự động hoá Trong những hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ và moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến một thiết bị đáp ứng Đây là thách thức và các nhà khoa học, nhà sản xuất đã chế tạo ra một loại động cơ thể làm được nhiệm vụ này

đó là động cơ servo Ngày nay hệ thống servo được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy yêu cầu sự chính xác cao Đối với trường học việc tìm hiểu về động cơ servo là rất hạn chế nên em cũng muốn tìm hiểu về nó để có thể hiểu về động cơ này

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

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài

Trần Thị Hoa

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

……… ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN 3

Chương 1 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG ĐỘNG CƠ SERVO 3

1.1.Cấu tạo chung động cơ servo 3

1.1.1 Cấu tạo động cơ servo 3

1.1.2 Động cơ AC - Servo 4

1.2 Chức năng của servo SGDM_020ADA hãng YASKAWA 7

1.2.1 Chức năng của servo motor 7

1.2.2 Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo 8

1.2.3.Tên và chức năng tín hiệu I / O của Servo Driver 9

Chương 2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 14

2.1 Các chế độ điều khiển 14

2.1.1 Điều khiển vận tốc 14

2.1.2 Điều khiển mômen 14

2.1.3 Điều khiển vị trí 15

2.2 Phương pháp kết nối hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 16

2.2.1 Kết nối phần cứng 16

2.2.2 Phần mềm điều khiển cho PLC 18

Chương 3 THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO 21

3.1 Bố trí thực nghiệm 21

3.2 Kết quả thực nghiệm 22

3.3 Nhận xét kết quả 24

KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 : Chức năng tín hiệu đầu vào của Servo Driver 9Bảng 1.2 : Chức năng tín hiệu đầu ra của Servo Driver 12Bảng 2.1:Tên và chức năng của các tín hiệu I/O trong chương trình điều khiển 20

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Động cơ servo và bộ điều khiển 3

Hình:1.2 Cấu tạo cơ bản của một động cơ servo 4

Hình 1.3: Cấu trúc của một Servo AC đồng bộ 5

Hình 1.4 : Encoder cơ bản 6

Hình 1.5: Máy cắt bao bì 7

Hình 1.6: Máy đóng gói 7

Hình 1.7: Máy kéo dây 8

Hình 1.8: Bộ điều khiển Servo SGDM 8

Hình 2.1: Chế độ điều khiển tốc độ 14

Hình 2.2: Chế độ điều khiển momen 15

Hình 2.3: Chế độ điều khiển vị trí 16

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 16

Hình 2.5 : Sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 17

Hình 2.6 : Sơ đồ thuật toán hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 18

Hình 2.7 : Chương trình điều khiển hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 19

Hình 3.1: Kết nối mạch của bộ điều khiển Servo Driver 21

Hình 3.2: Động cơ Servo đã được kết nối cáp 21

Hình 3.3 : Tủ điện khi đã hoàn thành ghép nối và hệ thống được cấp điện 22

Hình 3.4: Đặt giá trị điều khiển vị trí trên màn hình máy tính 23

PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Từ xưa khi chưa có phát minh ra động cơ, lúc đó chủ yếu sử dụng các máy móc chạy bằng xăng dầu cấu tạo phức tạp nặng nề, cồng kềnh mà lại không hiệu suất, gây tiếng ồn Từ khi động cơ được phát minh và đưa vào sử dụng, thay thế cho các máy móc chạy bằng xăng dầu đã đem lại hiệu quả kinh tế cao Động cơ 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 cơ đồng bộ, động cơ một pha, động cơ ba pha và trong tất cả các lĩnh vực

Ngày nay các lĩnh vực đều có sử dụng động cơ servo, do đó sản phẩm động cơ Ac–Servo được sản xuất nhiều, nhiều hãng như YASKAWA, PANASONIC, OMRON, FANUC, với rất nhiều loại Ac–Servo dùng vào nhiều mục đích khác nhau Như trong các nhà máy xí nghiệp ở các phương tiện lao động như: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, cánh tay robot Cơ cấu servo được sử dụng trong các máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị

tự động trên tàu thuyền và máy bay, và hệ thống điều khiển súng phòng không Những

hệ thống điều khiển bay trong máy bay, sử dụng các servo để phát động các bề mặt điều khiển của máy bay, và các mô hình điều khiển bằng radio sử dụng các RC servo với cùng mục đích Nhiều máy ảnh tự động lấy nét cũng sử dụng một cơ cấu servo để

di chuyển các ống kính một cách chính xác Một ổ đĩa cứng có một hệ thống servo từ tính với độ định vị chính xác đến

Ở nước ngoài, thiết bị điều khiển vị trí phản hồi đầu tiên là động cơ lái tàu, được sử dụng để xác định vị trí bánh lái của những con tàu lớn dựa trên vị trí của vô lăng của con tàu đó John McFarlane Grey là người tiên phong trong lĩnh vực này Thiết kế được cấp bằng sáng chế của ông đã được sử dụng trên tàu SS Great Eastern vào năm 1866.Các cơ cấu servo điện được sử dụng sớm nhất vào năm 1888 trong máy truyền điện bằng chữ viết của Elisha Gray Hải quân Hoàng gia Anh đã bắt đầu thử nghiệm điều khiển công suất từ xa (RPC) trên HMS Champion vào năm 1928 và bắt đầu sử dụng RPC để điều khiển đèn pha rọi máy bay địch trong đầu thập niên 1930 Trong Thế chiến thứ II, RPC đã được sử dụng để điều khiển giá pháo và thiết bị chỉ thị mục tiêu cho pháo

Các sản phẩm làm ra từ máy trong có sử dụng động cơ servo thường có độ chính xác cao và mẫu mã đẹp do đó động cơ servo được sử dụng nhiều trong ngành tự động hóa nói chung và ngành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất các máy gia công chính xác nói riêng

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Nêu ra được các chế độ làm việc của động cơ Servo hãng Yaskawa

- Tiến hành thực nghiệm, kiểm tra chế độ điều khiển vị trí của động cơ Servo

3 Nội dung nghiên cứu

- Cấu tạo và chức năng động cơ Servo

- Các chế độ làm việc của động cơ Servo

- Thực nghiệm điều khiển vị trí động cơ Servo

4 Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ servo hãng Yaskawa

5 Phương pháp nghiên cứu

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

- Tìm hiểu hệ thống băng truyền trong các hệ thống băng truyền, gia công cơ khí

- Sử dụng các thiết bị có sẵn làm mô hình

- Lập trình và mô phỏng trên máy tính

- Kiểm tra và chạy thử tại phòng thực hành của nhà trường

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN

Chương1 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG ĐỘNG CƠ SERVO 1.1.Cấu tạo chung động cơ servo

1.1.1 Cấu tạo động cơ servo

Động cơ servo về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần điện-từ gồm 2 phần (phần cảm và phần ứng) Động cơ servo có hình dáng dài, có cấu trúc và rotor nhỏ hơn so với động cơ thường có cùng công suất và momen Sở dĩ có sự khác biệt trong chế tạo như trên là bởi động cơ servo có yêu cầu về độ chính xác rất cao, cho nên khi động cơ hoạt động phải đảm bảo sao cho momen quán tính khi dừng là nhỏ nhất

Hình 1.1: Động cơ servo và bộ điều khiển

Điểm nổi bật của động cơ servo là có tích hợp một cơ cấu feedback sẵn trong động cơ Động cơ được điều khiển bằng một chu trình kín, từ tín hiệu hồi tiếp về vị trí / tốc độ hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển động cơ Vì thế động cơ sẽ có thêm bộ phận cảm biến để thông báo tốc độ và vị trí của động cơ, cảm biến này là encoder

Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh Stator của động cơ được quấn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor

vì thế, nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng phù hợp với nhu cầu điều khiển, tùy vào từng mục đích cụ thể mà người ta có những cải tiến riêng

a Cấu trúc của AC Servo

Động cơ AC-Servo được chia làm 2 loại: động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng Loại động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều hơn Đối với loại động cơ đồng bộ, tốc độ của động cơ được điều khiển bởi sự thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều Động cơ loại đồng bộ, có moment giữ mạnh khi động cơ dừng và hơn nữa loại này có thể sử dụng khi đòi hỏi khi vị trí dừng chính xác, loại này thường sử dụng cho Servo điều khiển vị trí

Động cơ AC-Servo có 2 bộ phận chính là phần encoder và phần motor

b Bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder)

Bộ mã hóa xung vòng quay (encoder) là thiết bị phần cứng thiết yếu của hệ thống động cơ servo có tác dụng phản hồi tốc độ và vị trí Encoder mục đích dùng để quản lý góc của một đĩa quay Đĩa quay có thể là trục động cơ, bánh xe hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc quay Encoder được chia làm hai loại, absolute encoder (tuyệt đối) và incremental encoder ( tương đối)

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

là 3 lỗ Cứ mỗi lần đi qua lỗ chúng ta lại phải lập trình để thiết bị lập trình đo đếm lên

1 Do vậy nó có tên là incremental encoder (encoder tăng lên một đơn vị) và nó không thể cho ta biết chính xác vị trí

Absolute encoder sẽ theo dõi trục của động cơ ngay cả khi hệ thống xảy ra mất điện và cả những chuyển động của động cơ trong thời gian đó, Incremental encoder thì không có khả năng trên

 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 (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ ( rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với tín hiệu có hoặc không có ánh sáng xuyên qua Người ta sẽ ghi nhận đèn led có chiếu qua hay là không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó

Hình 1.4 : Encoder cơ bản

1.2 Chức năng của servo SGDM_020ADA hãng YASKAWA

1.2.1 Chức năng của servo motor

- Điều khiển vị trí: quay động cơ với một số vòng quay được xác định trước Ứng dụng nhiều trong các hành trình kéo sản phẩm như máy cắt bao bì, máy đóng gói Động cơ

sẽ kéo bao bì đúng theo chiều dài túi được đặt trước

Hình 1.5: Máy cắt bao bì

- Điều khiển tốc độ: duy trì bám sát tốc độ được cài đặt Ví dụ có thể ứng dụng trong việc đồng bộ dao cắt với tốc độ sản phẩm đưa vào trong dao chặt giấy bao bì carton, máy đóng gói dạng nằm,

Hình 1.6: Máy đóng gói

- Điều khiển momen: nổi bật trong các ứng dụng kéo dây, việc duy trì ổn định lực căng, momen xoắn đầu trục động cơ sẽ không làm trùng hoặc căng đứt dây

Hình 1.7: Máy kéo dây

1.2.2 Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo

Hình 1.8: Bộ điều khiển Servo SGDM

Driver servo sgdm-02ada Yaskawa hay còn được gọi là Servopack 02ada Yaskawa được sử dụng để điều khiển một số dòng động cơ Servo tương ứng.Với công suất 0,2 KW Servopack SGDM trong những ứng dụng nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao với công suất vừa và nhỏ Khác với những dòng cũ như SGDA, SGDB, SGDL dòng sản phẩm mới Servo SGDM có thể cho người dùng thay đổi nhiều chế độ hoạt động từ Position sang Speed hay Torque thông qua việc cài đặt

SGDM-Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động

cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay

và từ bản thân động cơ servo

 Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

- Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động

- Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín

- Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động

1.2.3.Tên và chức năng tín hiệu I / O của Servo Driver

 Tín hiệu đầu vào

Bảng 1.1 : Chức năng tín hiệu đầu vào của Servo Driver

Chung

S-ON 40 Servo ON: Bật ON động cơ servo khi khối cổng trong

biến tần được giải phóng

P-CON 41

Chức năng được chọn bởi tham số

Bộ điều khiển tham chiếu

Chuyển đổi vòng điều khiển tốc độ

từ PI (tỷ lệ thuận / tích phân) với điều khiển P (tỷ lệ thuận) khi BẬT

Tham chiếu hướng

Với lựa chọn tốc độ cài đặt bên trong: Chuyển xoay phương hướng

Chuyển đổi chế

độ điều khiển

Tốc độ <=> vị trí Mô-men xoắn <=> vị trí Tốc độ <=> mô men xoắn

 Bật chuyển đổi chế độ điều khiển

Tham chiếu không kẹp

Điều khiển tốc độ với chức năng kẹp zero: Tốc độ tham chiếu bằng 0 khi BẬT

Khối xung tham chiếu

Điều khiển vị trí với dừng xung tham chiếu: Ngừng đầu vào xung tham chiếu khi BẬT

P-OT N-OT

42

43

Chuyển tiếp chạy ngược bị cấm

Overtravel bị cấm: Dừng động cơ servo khi phần di chuyển vượt quá phạm vi chuyển động cho phép

P-CL N-CL

45

46

Chức năng được chọn bởi tham số

Chuyển tiếp giới hạn mô-men xoắn bên ngoài ON Giới hạn mô-men xoắn bên ngoài đảo ngược ON

Chức năng giới hạn hiện tại được bật khi BẬT

Chuyển đổi tốc

độ nội bộ

Với lựa chọn tốc độ cài đặt bên trong: Chuyển đổi cài đặt tốc độ bên trong

RST 44 Đặt lại cảnh báo: Đưa ra trạng thái cảnh báo servo +24V

SEN 4(2) Tín hiệu yêu cầu dữ liệu ban đầu khi sử dụng bộ mã

hóa tuyệt đối

BAT(+) BAT (-)

21

22

Kết nối pin cho pin dự phòng bộ mã hóa tuyệt đối Không kết nối khi pin được kết nối với bộ điều khiển máy chủ

Tốc độ V-REF 5

Tốc độ tham chiếu tốc độ: ± 2 đến ± 10 V / tốc độ động cơ định mức (Có thể điều chỉnh độ lợi đầu vào bằng cách sử dụng tham số.)

Đầu vào tham chiếu mô-men xoắn: ± 1 đến ± 10 V / mô-men xoắn động cơ định mức (Độ lợi đầu vào có thể được sửa đổi bằng cách sử dụng một tham số.)

Vị trí

PULS /PULS SIGN /SIGN

Chế độ đầu vào được đặt từ các xung sau

• Dấu + chuỗi xung

• Xung CCW / CW

• Xung hai pha (sai lệch pha

90 °) CLR

1 Số chân trong dấu ngoặc đơn ( ) biểu thị các căn cứ tín hiệu

2 Các chức năng được phân bổ cho / S-ON, / P-CON Tín hiệu đầu vào P-OT, N-OT, / ALM-RST, / P-CL và / N-CL có thể được thay đổi bằng cách sử dụng các tham số

3 Phạm vi đầu vào điện áp cho các tham chiếu tốc độ và mô-men xoắn tối đa là ± 12

V