Tài liệu CHƯƠNG I : KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ doc

Lý do chọn đề tài Trong gia công cơ khí thì yêu cầu về độ chính xác là rất cần thiết vì vậy cần có một cơ cấu để điều khiển vị trí một cách chính xác.Cơ cấu này hoạt động thông qua việc

CHƯƠNG I : DẪN NHẬP

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong gia công cơ khí thì yêu cầu về độ chính xác là rất cần thiết vì vậy cần có một cơ cấu để điều khiển vị trí một cách chính xác.Cơ cấu này hoạt động thông qua việc điều khiển từ máy tính.Để đáp ứng yêu cầu đó nhóm đã chọn đề tài : Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit-me bi và đai ốc

1.2 Giới thiệu đề tài

Động cơ dùng để truyền chuyển động quay nhưng ta cũng có thể chuyển thành chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu vit-me đai ốc.Khi vit-me quay thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vit-me.Trên cơ sở đó ta có thể điều khiển vị trí đai ốc thông qua điều khiển góc quay của động cơ

Việc điều khiển vị trí rất quan trong trong gia công cơ khí cắt gọt trong công

nghiệp.Ứng dụng trong việc điều khiển các trục của máy CN, CNC, máy in, định

vị lỗ khoan, truyền động cho các băng tải…

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài là : điều khiển vị trí động cơ Servo DC với những yêu cầu sau:

- Điều khiển vị trí động cơ Servo DC có kiểm soát vị trí bằng bộ điều khiển PID

- Điều khiển trực tiếp động cơ bằng giao tiếp máy tính

- Điều khiển được tốc độ động cơ Servo DC, từ đó nghiên cứu điều khiển động

cơ trong các máy công cụ như CN, CNC, băng tải … và các ứng dụng khác của động cơ Servo DC kể cả bước Servo, Servo AC

1.4 Giới hạn đề tài :

- Điều khiển động cơ Servo DC, loại động cơ Dc kích từ độc lập hhoặc dùng nam châm vĩnh cửu, có công suất P < 60W, cụ thể là động cơ Servo DC 24V – 50W

- Điều khiển động cơ Servo DC bằng phương pháp điều chế độ rộng xung kết hợp với việc dùng vi điều khiển Atmega 8

- Đảm bảo ổn định được vị trí bằng vòng phản hồi vị trí dùng encoder

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUÂN

1.1 Đại cương về động cơ DC kích từ độc lập

1.1.1.Giới thiệu sơ lược về động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều có 3 loại

a.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

A

Eu

+

+

Lkt

Uu

Ru

Rkt

Ukt

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTĐL

b.Động cơ điện một chiều kích từ song song

+

Ru

Lkt

A

Eu

Rkt

Ukt = Uu

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTSS c.Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ud

A

Eu

+

Rkt

_

Ru Lkt

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTNT

Trong đồ án nhóm chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì :

- Làm việc tải nhỏ

- Điều khiển tốc độ dễ dàng, chính xác

1.1.2 Cấu tạo:

Cấu tạo động cơ gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (roto), cổ góp và chổi điện

Hình 2.4 Cấu tạo ĐC KTĐL

Nguồn điện một chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp Cường độ từ trường không thay đồi Tốc độ động cơ chỉ có thể điều khiển thông qua dòng roto Có thể đảo chiều chuyển động bằng cách đảo chiều dòng điện qua roto

Hình 2.5 Nguyên lý ĐC KTĐL

1.1.3 Sơ đồ nguyên lý và phương trình đặc tính:

Eu

+

Iu

Rkt

Ikt

_

Ru Lkt

Hình 2.6 Nguyên lý ĐC KTĐL

cdkt kt

kt

R

R

U

Ikt





Ru

Iu

Eu

Mà





kt K

Mdt Iu





Suy ra :

Ru K

Mdt

K

Uu

kt





 Kết luận : Để thay đổi tốc độ động cơ ta có 2 cách

- Thay đổi từ thông 

- Thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ: Dùng phương pháp PWM hoặc mắc thêm điện trở phụ vào phần ứng

1.2 Giới thiệu về Encoder:

1.2.1.Khái niệm :

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa quang kỹ thuật số là một thiết bị chuyển đổi chuyển động thành một chuỗi các xung kỹ thuật số Bằng cách đếm một cách đơn lẻ hoặc bằng cách giải mã một tập hợp các bit, xung có thể được chuyển đổi để đo lường vị trí tương đối hay tuyệt đối Encoders có cấu hình cả tuyến tính và quay, nhưng loại phổ biến nhất

là quay Rotary encoders được sản xuất trong hai hình thức cơ bản: các bộ mã hóa tuyệt đối nơi một từ kỹ thuật số duy nhất tương ứng với mỗi vị trí của trục quay, và mã hóa các gia tăng, trong đó sản xuất xung kỹ thuật số như các trục quay, cho phép đo vị trí tương đối của trục Hầu hết các mã hoá quay được bao gồm một đĩa thủy tinh hoặc nhựa mã với một mô hình xuyên tâm photographically gửi tổ chức theo dõi Theo đường xuyên tâm trong mỗi ca khúc gián đoạn giữa một chùm photoemitter-cặp máy dò, xung kỹ thuật số được sản xuất

1.2.2 Phân loại : Có 2 loại Encoder

a Absolute encoder :

Hình 2.7 Absolute encoder

Là loại thiết bị mã hóa mà các tín hiệu mã đầu ra song song để chỉ thị góc quay tuyệt đối của trục Loại này không cần bộ đếm để đếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa

Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suất và đục Ánh sáng có thể xuyên qua những phần trong suất đến bộ cảm biến quang, khi đĩa quay thì bộ cảm biến bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi phần đục làm cảm biến quang xưống 0 Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự

- Khi thiết bị mã hóa này được sử dụng với cùng một thiết bị khác, thì vị trí 0 của trục xam như góc tọc độ Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay có thể được hiển thị trên bộ chỉ thị của máy Tín hiệu đầu ra của thiết bị

mã hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra khộng thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác được ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết bị mả hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bị sử dụng nó

- Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cáo hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần

b Incremental encoder :

Hình 2.8 Incremental encoder

Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay Thiết bị mã hóa này không có xung ra khi trục không làm việc Do đó cần có một bộ đếm để đếm xung ra

Thiết bị mã hóa ch biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm Dạng thiết bị

mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh ngõ ra:

+ Loại 1 chiều (chỉ có đầu kênh A) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay

+ Loại 2 chiều (có đầu ra kênh A và B) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ Ngoài ra còn có đầu dây trung tính (xung Z) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1

Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2 (A)

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của Incremental encoder

Hình 2.9 Nguyên lý Incremental encoder

Giả sử encoder có 3 xung là A,B,Z như hình

Khi truc động cơ quay nhờ 3 cặp led thu và phát hồng ngoại sẽ đổi trạng thái liên tục.Do 2 xung A,B lệch pha nhau 1 góc 90 0và xung Z chỉ có 1 xung trên vòng nên

ta có giản đồ xung như hình trên

Ta dùng bộ đếm để đếm xung này từ đó biết được vị trí động cơ như thế nào.Tùy vào từng loại encoder mà ta có các độ phân giải khác nhau.Vd như encoder ghi

r

p

200 nghĩa là khi động cơ quay 1 vòng ta đo được 200 xung Encoder trong đồ án cũng là loại 200 xung/vòng.Chỉ có 2 xung A và B không có xung Z

1.3 Vít-me và đai ốc bi.

1.3.1 Khái niệm

Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục của vít-me

Vit-me đai ốc thường bao gồm một trục được tiện ren và lắp với một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng và cùng bước ren với nhau Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít và đai ốc.Cơ cấu này chính là

cơ cấu của bulong và đai ốc.Khi bulong di chuyển thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến

Tiếp xúc giữa bulong và đai ốc là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển tương đối khó do masat lớn

Hình 2.10 Vít-me đai ốc thường

1.3.2 Vít-me và đai ốc bi

Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục vít-me có hình tròn thay vì hình thang hoặc tam giác và những rãnh này sẽ được đặt vào những viên bi sắt Mối ghép vít me bi và đai ốc là những đường được lắp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc

Hình 2.11 Nguyên lý vit-me bi

Điều này nhằm giảm ma sát của chúng Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ rơi ra ngoài, nên đai óc có 1 đường ống dẫn về để vét những viên bi khỏi rãnh của trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai ốc

Lực đẩy của đai óc thì không nặng nề nhờ những viên bi cuộn tròn, hơn là trượt Hầu hết chúng cũng cần 1 tí chổ trống để chắc rằng dầu có thể vào, hoặc giả có sự

cố kẹt bi trong các rãnh

Vít-me có 3 rãnh bi Vít-me có 1 rãnh bi

Hình 2.12 Cấu tạo vít-me đai ốc bi

Khả năng làm viêc :

- Do được thay chuyển động trượt thành chuyển động quay tròn của các viên bi nên masat được giảm đáng kể do đó chuyển động giữa trục vít-me và đai ốc sẽ rất nhẹ nhàng

- Cũng do masat ít nên trục vít-me bi có tuổi thọ cao hơn vít-me thường đồng thời việc truyền động sẽ trở nên chính xác hơn do khử được độ rơ giữa vít-me và đai ốc

1.4 Lý thuyết PWM

1.4.1 Điều chế độ rộng xung là gì?

Để điều khiển tốc độ động cơ như đã trình bày ở phần nguyên lý động cơ

có 2 cách: Mắc điện trở phụ và phần ứng và thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ.Phương pháp PWM chính là cách để thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ

Điều chế độ rộng xung là phương pháp điều khiển tổng công suất cho tải

mà không phải tiêu hao bất kỳ công suất nào trong việc điều khiển tải

Pulse Width Modulation (PWM) là kỹ thuật làm giảm số lượng nguồn phát

ra đến động cơ DC, nó được ứng dụng trong các hệ thống máy móc cơ khí mà không cần hoạt động trong tình trạng đủ nguồn

Thay vì giảm điện áp vân hành cho motor (nghĩa là giảm nguồn cho nó), nguồn motor được bật on/off một cách nhanh chóng Phần trăm thời gian mà nguồn được bật sẽ quyết định phần trăm hoạt động mà nó được thực hiện

Giảng đồ trình bày khái niệm này, trình bày tín hiệu PWM đến hoạt động motor tại 75%, 50%, 25% nguồn hoạt động

Một khoảng rộng của tần số có thể được sử dụng cho tín hiệu PWM

Một dạng sóng PWM gồm 8 bit, mà mỗi một dạng sóng có thể là on hoặc off, được lập lại để sử dụng cho động cơ Mỗi một phần trăm của giây, bit điều khiển quyết định motor là nạp hoặc ngắt Mỗi 1/125 của giây dạng sóng được lập lại

Hình 2.13 Nguyên lý PWM

Thực chất của PWM là làm thay đổi tổng giá trị áp (trung bình) đặt vào hai đầu cực của động cơ Khi áp trung bình thay đổi tức là làm thay đổi tốc độ động

cơ ngay lập tức

Có nhiều phương pháp điều khiển PWM:

 Phương pháp tương tự: tác động nhanh và liên tục

 Phương pháp số: có thể điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của hệ truyền động

 IC chuyên dụng

 Dùng con vi điều khiển trện board

Có hai phương pháp phổ biến nhất làm thay đổi tổng điện áp đặt vào hai cực động cơ Servo DC:

Hình 2.14: Các phương pháp PWM cho động cơ Servo

Hình trên minh họa phương pháp PWM cho Servo chuẩn (phương pháp 1)

và Servo số (phương pháp 2)

+Phương pháp 1: Bằng cách thay đổi thời gian Ton và Toff Trong khi chu kỳ xung vẫn giữ nguyên (không đổi)

Ví dụ: Chúng ta mong muốn mức logic ngõ ra PWM dùng điều khiển tốc

độ động cơ Servo DC Khi đó, động cơ đạt tốc độ Minimum thi tương ứng với tín hiệu PWM là 100% off 0% on và khi động cơ đạt tốc độ Maximum thì tương ứng với tín hiệu 0% off 100% on Tuy nhiên điều này chỉ là lý thuyết, trong thực tế phương pháp PWM không bao giờ đạt con số 100% off 0% on( hoặc 0% off 100% on) mà nó chỉ mang tính gần đúng

Hình 2.15 Phương pháp PWM với tần số không đổi

t1 = t2 = TON + TOFF = const Trong đó:

t1, t2: chu kỳ xung Ton: thời gian On Toff: thời gian Off Theo tiêu chuẩn động cơ Servo, ta nên chọn chu kỳ xung t1 = t2 = 20ms Chúng ta thấy rằng, thời gian Ton càngtăng thì điện áp trung bình tương ứng càng lớn, đồng nghĩa với tăng tốc độ động cơ và hoàn toàn ngược lại nếu Ton càng nhỏ thì điện áp trung bình tương ứng càng giảm, đồng nghĩa với giảm tốc độ động cơ

Hình 2.16 Quan hệ giữa thời gian Ton với điện áp

+Phương pháp 2: Bằng cách thay đổi tần số xung Do đó trường hợp này làm cho chu kỳ xung bị thay đổi, tức là: t1 ≠ t2

Hình 2.17 Phương pháp PWM với tần số thay đổi

Nhìn chung cả 2 phương pháp trên đều có một điểm chung đó là điều tiết PWM dẫn đến làm thay đổi tổng áp trung bình đặt vào hai cực VCC và GND của động cơ Servo DC Tùy theo thế mạnh của từng phương pháp, thế mạnh của người dùng mà lựa chọn phương pháp nào là hợp lý, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao