NGHIÊN CỨU , TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AC SERVO

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,đặc biệt là ngành điệntự động hóa đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp.Đối với điều khiển chuyển động trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao,việc điều khiển tốc độ hay vị trí của các cơ cấu cơ học là hết sức quan trọng. Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực.Chính vì thế việc điều khiển động cơ và ghép nối chúng thành một hệ truyền động tự động là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ. Sau một thời gian làm việc,nghiên cứu,tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài “NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO ”.Bài làm còn dựa trên nhiều lý thuyết, vì vậy chúng em đang hoàn thiện và cố gắng thực hiện trong thực tế. Trong quá trình thực hiện mặc dù đã rất cố gắng hoàn thiện tốt nhất nhưng không thể tránh khỏi nhưng sai xót do kiến thức còn nhiều hạn chế , kính mong các thầy cô và bạn đọc có những đóng góp để bài được hoàn thiện hơn nữa . Chúng em xin chân thành cảm ơn

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN

MÔN : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHẤP HÀNH

ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU , TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

AC SERVO

SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ DUY HUỲNH

NGUYỄN VĂN NGUYÊN

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,đặc biệt là ngành điện-tự động hóa đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp.Đối với điều khiển chuyển động trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao,việc điều khiển tốc độ hay vị trí của các cơ cấu cơ học là hết sức quan trọng Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực.Chính vì thế việc điều khiển động cơ và ghép nối chúng thành một hệ truyền động tự động là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ Sau một thời gian làm việc,nghiên cứu,tham khảo chúng em đã hoàn

thành đề tài “NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO ”.Bài làm còn dựa trên nhiều lý thuyết, vì vậy chúng em đang hoàn

thiện và cố gắng thực hiện trong thực tế.

Trong quá trình thực hiện mặc dù đã rất cố gắng hoàn thiện tốt nhất nhưng không thể tránh khỏi nhưng sai xót do kiến thức còn nhiều hạn chế , kính mong các thầy cô và bạn đọc có những đóng góp để bài được hoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ SERVO1.1 Động cơ servo là gì ?

Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng

Động cơ Servo Panasonic

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.

Động cơ servo có nhiều loại bao gồm động cơ AC servo , DC servo, R/C Servo Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C (radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này Như vậy có nghĩa là ta không cần phải điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế Ta có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555.

1.2 Động cơ servo DC 1.2.1 Động cơ servo

Một động cơ servo (Servo Motors) là một tổ hợp chung cơ bản của bốn bộ phận: một động cơ điều khiển tốc độ DC, một bánh răng, một vi điều khiển và một cảm biến.

Khả năng định vị của động cơ servo thường được tính toán để kiểm soát được chính xác hơn so với những động cơ DC thông thường khác Động cơ servo thường cấu tạo gồm 3 dây: dây nguồn, dây tiếp đất và dây điều khiển Không giống như động cơ DC hoạt động trên cơ chế xoay chiều bật tắt nguồn, năng lượng (nguồn điện) của động cơ servo được nạp vào liên tục Động cơ servo hoạt động bằng việc kiểm soát dòng điện, giúp động cơ định hướng chính xác hướng hoạt động của mình

Động cơ servo được thiết kế để dừng tại một vị trí cụ thể Các vị trí này cần được tính toán chính xác để khiến máy móc hoạt động được đúng với mục tiêu đề ra theo ý đồ của người thiết kế Ví dụ như kiểm soát các bánh lái trên một chiếc thuyền hoặc cần khiến một cánh tay robot hay chân robot di chuyển trong một phạm vi nhất định.

Động cơ servo sẽ không quay như động cơ DC thông thường vốn hoạt động xoay qua lại với góc quay đạt tới mốc 360 độ (hoặc hơn) Trong khi đó, động cơ servo sẽ hoạt động bằng việc nhận một tín hiệu lệnh quyết định góc vị trí ở đầu ra và sử dụng sức mạnh (cơ năng) của một động cơ DC cấu tạo bên trong sẽ quay trục quay đến đúng vị trí Vị trí này được xác định bởi các vi cảm biến

PWM được sử dụng cho các tín hiệu lệnh của động cơ servo Tuy nhiên, không giống như động cơ DC được PWM điều khiển bằng biến độ rộng xung để kiểm soát tốc độ quay, động cơ servo dùng điều biến độ rộng xung đó để xác định vị trí của trục động cơ, chứ không chỉ đơn thuần là tốc độ.

Trung bình một đơn vị xung được tính dựa trên vị trí trục (thường là khoảng 1,5ms), mục đích làm sao để giữ trục luôn ở đúng vị trí Mỗi khi giá trị xung tăng lên, sẽ khiến cho trục motor lần lượt chuyển động theo chiều kim đồng hồ, và luôn sẽ có một xung ngắn hơn để đảo trục ngược lại chiều kim đồng hồ Xung điều khiển serco thường được lặp đi lặp lại khoảng 20 mm/s Có thể nói đơn giản, trục servo di chuyển đến đâu rồi cũng quay về lại vị trí ban đầu.

Khi động cơ được lệnh di chuyển, nó sẽ điều khiển trục di chuyển đến vị trí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó, cho dù ngay cả khi có ngoại lực tác động lực đẩy lên nó, các trục động cơ sẽ từ chối di chuyển khỏi vị trí đã thiết lập bởi bộ điều khiển.

1.2.2 Động cơ bước

Động cơ bước (hay còn có tên là động cơ bước từ tính, động cơ hỗ trợ việc bước), thực chất là một động cơ tăng lực sử dụng một phương pháp khác trong việc lái hướng chuyển động Cụ thể, động cơ bước vận hành bằng việc sử dụng một động cơ quay liên tục DC, tích hợp cùng mạch điều khiển cùng một động cơ bước hoạt động bằng nam châm từ tính có nhiều răng được sắp xung quanh một bánh răng trung tâm để xác định vị trí.

Động cơ bước đòi hỏi phải có một mạch điều khiển bên ngoài hoặc một bộ vi điều khiển (ví dụ như Raspberry Pi or Ardunio) để tiếp thêm năng lượng cho từng nam châm điện và khiến các trục động cơ lần lượt xoay Khi nam châm từ tính ‘A’ được cung cấp nguồn điện, nó sẽ tác động lực từ tính lên các bánh răng và căn chỉnh chúng hơi xô lệch đến nam châm điện tiếp theo ‘B’ Khi ‘A’ tắt, và ‘B’ bật, các bánh răng theo lực từ tính sẽ hơi lệch một chút so với ‘B’, và thế là các răng xếp quây lại thành vòng tròn quanh bánh răng nguồn và ngắt mạch để quay về chỗ ngoặt ban đầu nhằm tạo dựng một vòng xoay

Mỗi vòng xoay tính từ một nam châm điện tiếp theo được gọi là “bước”, và thế là, động cơ có thể được quay bằng góc bước; góc bước được xác định chính xác từ trước thông qua một vòng xoay hoàn chỉnh với 360 độ.

Động cơ bước phổ biến với hai loại: động cơ đơn cực và động cơ lưỡng cực Động cơ lưỡng cực là loại mạnh nhất của động cơ bước và thường có 4 hoặc 8 chuỗi dây dẫn Chúng có hai bộ cuộn dây điện từ cấu tạo bên trong, và bước vận hành bằng việc thay đổi hướng của các bánh rang với các dây dẫn bên trong.

Động cơ bước đơn cực, được nhận dạng bởi cấu tạo gồm tới 5,6 hoặc 8 đường dây dẫn Mặc dù chỉ có 2 cuộn cảm biến, nhưng mỗi cuộn lại là một tập hợp trung tâm phức tạp Động cơ bước đơn cực có thể bước mà không cần phải đảo ngược chiều hiện tại trong các cuộn dây Tuy nhiên, do cuộn trung tâm lại được sử dụng như để tiếp thêm một nửa lực từ cho mỗi cuộn dây tại một thời điểm xác định, nên chúng thường có ít mô-men xoắn hơn loại động cơ lưỡng cực.

Các thiết kế của một động cơ bước thường cung cấp một mô-men xoắn giữ liên tục mà không cần động cơ để được hỗ trợ, đồng thời cũng cung ứng luôn một động cơ khác có chức năng nhất định phù hợp với cấu tạo của nó Dĩ nhiên, tuy phức tạp như vậy nhưng lỗi định vị lại không xảy ra miễn chỉ cần động cơ bước có tụ cơ năng được xác lập từ trước

1.2.3 Động cơ DC không chổi than và có chổi than

Trước tiên, ta cần hiểu chổi than là gì, vì sao nó có hại cho mô-tơ Chổi than là một vật liệu dẫn điện làm từ carbon có tác dụng tiếp điện, duy trì kết nối điện giữa bộ phận tĩnh và các phần chuyển động của động cơ điện DC hoặc AC được sử dụng trong công nghiệp sản xuất sử dụng động cơ dây quấn.

Mô-tơ chổi than có cấu tao:

Mô-tơ chổi than là loại mô-tơ dùng chổi than chì Mô-tơ chổi than sử dụng trong xe điện RC là loại Mô-tơ dùng điện một pha, gồm có hai dây đỏ và đen Ưu điểm của Mô-tơ chổi than là giá xe điều khiển từ xa sản xuất thấp cho nên chúng ta có thể thấy những chiếc xe điện RC giá thành thấp có gắn động cơ chổi than.

Nhược điểm của loại động cơ chổi than được làm bằng chổi than chì nên sau một khoảng thời gian sử dụng sẽ làm mòn chổi than, tuổi thọ kém, mô-tơ tiêu thụ điện lớn, công suất yếu hơn các loại mô-tơ không chổi than có cùng kích cỡ Vì vậy những chiếc xe mô hình RC chạy loại mô-tơ này thường không có tốc độ cao.

Nhược điểm của đông cơ chổi than khá lớn và gây bất tiện, vì vậy việc sáng tạo ra động cơ không chổi than là một bước đột phá lớn, như việc sáng tạo ra pin Li-Po Động cơ không chổi than với cấu tạo phức tạp hơn một chút:

Động cơ DC không chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao.

Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.

Một số đặc tính nổi bật của động cơ không chổi than khi hoạt động: -Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.

-Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).

-Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

-Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không -Vận hành ở tốc độ cao.

-Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn -Hiệu suất cao.

-Kết cấu gọn.

1.3 Động cơ servo AC

Động cơ AC là loại động cơ đồng bộ 3 pha sử dụng lõi từ là nam châm vĩnh cửu thường được điều khiển bằng cách driver chuyên dụng cùng hãng với khả nay chạy tốc độ lẫn vị trí với động chính xác cao.

-Nhược điểm của động cơ AC servo là hệ điều hành tốc độ động cơ phức tap và đắt tiền hơn so với động cơ DC Hệ điều khiển tốc độ động cơ AC servo dựa trên cơ sở biến đổi tần số nguồn Một trong những phương pháp điều khiển tốc độ động cơ AC SERVO là biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều nhờ bộ chỉnh lưu 3 pha , sau đó biến dòng một chiều thành dòng xoay chiều nhưng ở tần số lựa chọn

Hình ảnh động cơ servo AC

Về tính năng thì motor servo tỏ ra ưu việt hơn khi sử dụng thuật toán điều khiển có kiểm soát dựa trên sự phản hồi của cảm biến tốc độ( thường là encoder, relsover) nên giúp cho kết quả điều khiển tốc độ hay vị trí đạt chất lượng cao hơn Còn đối với động cơ bước được thiết kế vi bước dựa trên sự bố trí của các cuộn dây và điều khiển vòng hở nên dẫn tới khi chạy ở tốc độ cao và tải nặng có thể dẫn tới tình trạng mất bước điều khiển không chính xác Chính vì những công nghệ phước tạp được tích hợp bên trong sản phẩm cộng với việc chế tạo khó hơn nên dẫn tới giá thành của động cơ ac servo sẽ cao hơn rất nhiều so với motor bước Tuy nhiên do nhu cầu thị trường hiện nay đang tăng đột biến và có nhiều thương hiệu cùng sản xuất nên giá thành của servo hiện tại đã tốt hơn trước, phù hợp hơn với túi tiền của khách hàng nhóm chế tạo máy tại Việt Nam.

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SERVO2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển trong công nghiệp :

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với các hệ thống điều khiển Công nghệ ngày càng hiện đại đòi hỏi các hệ thống phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe để đảm bảo quá trình sản xuất

Sự phát triển các hệ thống điều khiển được tóm tắt như sau : - Điều khiển vòng hở (open loop)

-Điều khiển nửa kín (semi-closed loop) -Điều khiển vòng kín (full-closed loop)

Sau đây giới thiệu sơ lược về các nguyên tắc điều khiển

Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thông số X của đối tượng A Trong trường hợp điều khiển vòng hở thì đối tượng A sẽ được điều khiển mà không cần quan tâm đến thông số X và thức tế thông số X sẽ được người điều khiển quan sát và thao tác để điều khiển đối tượng A

Trong trường hợp semi – closed loop thì hệ thống điều khiển sẽ nhận dạng một thông số Y không phải thông số X nhưng nó có thể ước lượng hoặc đại diện cho X Như vậy tính quan sát = mắt đã được loại bỏ một phần Độ chính xác cao hơn opened loop.

Và cái cuối cùng đó là closed loop , dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng X được trực tiếp feedback về hệ thống điều khiển để xử lý

2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop)

Các bộ phận của một hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ không hồi tiếp (Nonfeedback System), là một hệ thống trong đó sự kiểm soát không tuỳ thuộc vào output.

Trong những trường hợp đơn giản, controller có thể là một mạch khuếch đại, những cơ phận nối tiếp hoặc những thứ khác, tuỳ thuộc vào loại hệ thống Trong các bộ điều khiển điện tử, controller có thể là một microprocessor.

Thí dụ : Một máy nướng bánh có gắn timer để ấn định thời gian tắt và mở máy.Với một lượng bánh nào đó, người dùng phải lượng định thời gian nướng cần thiết để bánh chín, bằng cách chọn lựa thời gian trên timer.

Đến thời điểm đã chọn trước, timer điều khiển tắt bộ nung.

Ví dụ về hệ điều khiển hở

Dễ thấy ngay rằng một hệ thống điều khiển như vậy có độ tin cậy không cao.Tín hiệu tham khảo được đặt trước, còn đáp ứng ở ngõ ra thì có thể thay đổi theo điều kiện xung quanh, hoặc nhiễu Muốn đưa đáp ứng c đến trị giá tham khảo r, người dùng phải qui chuẩn lại bằng cách chọn timer lại.

2.1.2 Hệ điều khiển vòng kín (closed-loop )

Còn gọi là hệ điều khiển hồi tiếp (feedback control system) Để điều khiển được chính xác, tín hiệu đáp ứng c(t) sẽ được hồi tiếp và so sánh với tín hiệu tham khảo r ở ngỏ vào.

Một tín hiệu sai số (error) tỷ lệ với sự sai biệt giữa c và r sẽ được đưa đến controller để sửa sai Một hệ thống với một hoặc nhiều đường hồi tiếp như vậy gọi là hệ điều khiển vòng kín.

Hệ thống điều khiển vòng kín

Trở lại ví dụ về máy nướng bánh Giả sử bộ nung cấp nhiệt đều các phía của bánh và chất lượng của bánh có thể xác định bằng màu sắc của nó Một sơ đồ được đơn giản hoá áp dụng nguyên tắc hồi tiếp cho máy nướng bánh tự động

Ban đầu, máy nướng được qui chuẩn với chất lượng bánh, bằng cách đặt nút chỉnh màu Không cần phải chỉnh lại nếu như không muốn thay đổi tiêu chuẩn nướng Khi SW đóng, bánh sẽ được nướng, cho đến khi bộ phân tích màu "thấy" được màu mong muốn Khi đó SW tự động mở, do tác động của đường hồi tiếp (mạch điện tử điều khiển relay hay đơn giản là một bộ phận cơ khí) H.1_6 là sơ đồ khối mô tả hệ

Một thí dụ khác về hệ thống điều khiển vòng kín như hình : hệ thống điều khiển máy đánh chữ điện tử (Electronic Typewriter).

Bánh xe in (printwheel) có khoảng 96 hay 100 ký tự, được motor quay,đặt vị trí của ký tự mong muốn đến trước búa gõ để in Sự chọn lựa ký tự do người sử dụng gõ lên bàn phím Khi một phím nào đó được gõ, một lệnh cho bánh xe in quay từ vị trí hiện hành đến vị trí kế tiếp được bắt đầu Bộ vi xử lý tính chiều và khoảng cách phải vượt qua của bánh xe, và gửi một tín hiệu điều khiển đến mạch khuếch đại công suất Mạch này điều khiển motor quay để thúc bánh xe in Vị trí bánh xe in được phân tích bởi một bộ cảm biến vị trí (position sensor) Tín hiệu ra được mã hóa của nó được so sánh với vị trí mong muốn trong bộ vi xử lý Như vậy motor được điều khiển sao cho nó thúc bánh xe in quay đến đúng vị trí mong muốn Trong thực tế, những tín hiệu điều khiển phát ra bởi vi xử lý sẽ có thể thúc bánh xe in từ một vị trí này đến vị trí khác đủ nhanh để có thể in một cách chính xác và đúng thời gian.