LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật luôn xuất hiện khái niệm kỹ thuật vi xử lý và điều khiển, với sự trợ giúp của máy tính kỹ thuật vi xử lý và điều khiển đã có sự phát triển mạnh mẽ đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của các họ vi xử lý và điều khiển với những tính năng mới.
Và xuất phát từ những sự phát triển đó em đã nghiên cứu và thiết kế một mô hình điều khiển đó là: “Mô hình điều khiển vị trí” sử dụng vi điều khiển và DC servo.
Động cơ DC servo đã xuất hiện nhiều trong công nghiệp và trong sản xuất. Hầu như trong bất cứ dây chuyền sản xuất nào hay trong các xưởng, nhà máy, xí nghiệp…đều cũng sử dụng động cơ DC servo. Một số ứng dụng cơ bản của động cơ DC servo trong công nghiệp như là điều khiển vị trí, vận tốc, gia tốc, trong các cơ cấu servo máy CNC, băng tải, cơ cấu robot…
Đề tài này giúp em hiểu rõ hơn về điều khiển, đồng thời tích luỹ kiến thức đặc biệt là những kinh nghiệm trong quá trình lắp ráp thực tế song do thời gian và kiến thức có hạn, nên hệ thống thiết kế còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để có thể nâng cao chất lượng của đề tài tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn !
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..
LỜI CẢM ƠN..
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.. 1
1.1 Giới thiệu về động cơ DC SERVO.. 1
1.2 Phân loại động cơ DC SERVO.. 1
1.2.1. Động cơ Servo DC có chổi than. 1
1.2.2 Động cơ Servo DC không có chổi than. 5
1.3 Lựa chọn động cơ. 11
1.3.1. Momen khởi động động cơ.11
1.3.2. Tốc độ cực đại của động cơ.11
1.3.3. Công suất yêu cầu tải.12
1.3.4. Nếu hệ dẫn động yêu cầu điều chỉnh tốc độ:12
1.3.5. Nếu hệ yêu cầu điều khiển cả vị trí và tốc độ.12
1.3.6. Hệ thống cần hay không cần giảm tốc.13
1.3.7 so sánh các loại động cơ. 13
1.4 HỆ THỐNG SERVO.. 14
1.4.1 Hệ thống Servo là gì ?. 14
1.4.2 Hệ thống điều khiển. 18
1.4.3 Cấu hình của hệ thống servo:19
1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Servo. 21
1.5.1 Cấu tạo của động cơ servo. 21
1.5.2 Nguyên lý làm việc của động cơ servo. 22
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG “MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ”. 25
2.1 Thiết kế. 25
2.1.1 Yêu cầu chung.25
2.1.2. Bản vẽ. 25
2.2 Thi công. 26
2.2.1 Cơ khí26
2.2.1.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động:26
2.2.1.2 Vất liệu. 27
2.2.1.3 Động cơ.28
2.3 Điện – Điện tử. 29
2.3.1 Nguồn 24V.. 29
2.3.2 Bộ driver điều khiển vị trí động cơ. 30
2.3.2.1 Giới thiệu phần cứng. 31
2.3.2.2 Block diagram (sơ đồ khối).34
2.3.2.3 DC10 Interface (giao diện DC10). 34
2.4 Kết nối encoder:38
2.5 CHÍP ĐIỀU KHIỂN 16F887. 39
CHƯƠNG III CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.. 41
3.1 Hướng dẫn sử dụng DC10:41
3.1.2 Kết nối phần cứng:41
3.1.3 Sử dụng PID trên DC10 Config Panel.43
3.1.4 Điều khiển bằng Visual basic.44
3.1.5 Lưu đồ giải thuật44
4.1. Kết quả đạt được.45
4.2 Kết quả chưa đạt được.45
4.3 Hướng phát triển.45
PHỤ LỤC.. 46
PHỤ LỤC 1. TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 46
PHỤ LỤC 2. NƠI MUA LINH KIỆN.. 46
PHỤ LỤC 3. THÔNG TIN THÀNH VIÊN.. 46
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1 Giới thiệu về động cơ DC SERVO
Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot). Điều khiển được DC Motor là đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động.
Thuật ngữ servo xuất phát từ tiếng Hy Lạp là servus hay servant có nghĩa là nô lệ, đầy tớ. Mà nô lệ và đầy tớ tất nhiên phải tuân theo mệnh lệnh của chủ, và tuân thủ tuyệt đối. Một hệ thống servo là hệ thống đáp ứng lệnh thực thi một cách tuyệt đối. Và động cơ servo là loại động cơ điện cho phép người sử dụng điều khiển, quản lý tốc độ và vị trí một cách chính xác.
Về cơ bản động cơ DC servo có thành phần chính là một động cơ DC và các thành phần điều khiển hồi tiếp đi kèm. Chất lượng của động cơ DC trong hệ thống servo, thông thường phải có chất lượng đảm bảo những yêu cầu khắt khe về tốc độ và khả năng đáp ứng.
Động cơ DC thường là động cơ dễ điều khiển nhất. Chúng ta chỉ cần dùng một hệ thống đảo chiều và quản lý điện áp để điều khiển tốc độ. Ta có thể ứng dụng mạch PWM.
1.2 Phân loại động cơ DC SERVO
Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ và vị trí. Mặc dù với sự phát triển của công nghiệp điện tử, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tầng ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng động cơ Servo DC vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số. Những năm trước 1995 của thế kỉ trước 95% động cơ dùng trong xích chuyển động chạy dao máy động cơ NC/CNC đều được sử dụng động cơ DC điều khiển Servo. Động cơ Servo DC có 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than và động cơ 1 chiều không có chổi than.
1.2.1. Động cơ Servo DC có chổi than
Động cơ servo dòng một chiều DC chổi than được trình bày trên (hình 1.1) gồm 4 thành phần cơ bản: stator của động cơ DC là một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây phần ứng lắp trên roto. Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định được sinh ra từ nam châm vĩnh cửu gắn trên stator tương tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khi có dòng điện chạy qua nó. Quá trình tương tác đó sinh ra moment tác động lên trục roto. Moment này biểu diễn theo phương trình:
Tm=ke.ϕ.Ia.sinƟ (1)
Trong đó :
- Tm = moment động cơ ;
- Ke=hệ số động cơ ;
- Φ = mật độ dòng từ
- Ia = dòng phần ứng
- Ɵ = góc giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng
Hình 1.1: Cấu tạo động cơ Servo DMC chổi than
Công thức (1) cho thấy phần tử sinƟ ảnh hưởng tới momen trên trục động cơ. Hình 1.2 chỉ ra quan hệ giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng qua phần ứng.Moment trên trục động cơ tăng dần từ Ө = 0o và lớn nhất khi góc Ɵ =900 có nghĩa là khi vectơ từ trường cố định vuông góc với vectơ dòng phần ứng, moment trên trục động cơ là lớn nhất khi và khi Ɵ = 0o vectơ dòng phần ứng song song với vectơ từ trường cố định, tại đó moment trên trục là nhỏ nhất. Để đảm bảo moment trên trục động cơ luôn đạt được giá trị lớn nhất cần thiết phải điều khiển chuyển mạch cấp điện cho cuộn dây roto sao cho vectơ dòng phần ứng luôn luôn vuông góc với từ trường cố định. Với cách điều khiển quá trình
cấp điện như trên, mômen động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ với dòng cấp cho cuộn dây phần ứng.
Hình 1.2: Vectơ từ trường cố định và vectơ dòng qua phần ứng
Một mối liên hệ khác giữa các thông số của động cơ một chiều là tốc độ quay của rôto tỷ lệ với sức điện động phản điện động phản điện sinh ra trong cuộn dây phần ứng
Mômen và tốc độ của động cơ Servo DC điều khiển có thể mô tả bằng hai phương trình : Tđc= Km.Iu (2)
Eb=Kb.ω (3)
Trong đó:
- Tđc : là mômen từ, Nm
- Iu: dòng điện trong cuộn dây phần ứng, A
- Eb: điện áp phản điện (emf), V
- Km: hệ số mômen, kgm/A
- Kb: hệ số điện, đơn vị đo vôn trên vòng trên phút
- ω: vận tốc quay của động cơ, vòng/phút
Mạch động cơ Servo DC chỉ ra trên hình 1.3
Hình 1.3: Mạch động cơ Servo DC
Từ định luật Kirchhoff ta có phương trình mạch
Vu = Kb. ω + Ru.Iu + Lu.(4)
Thành phần Lư nhỏ hơn so với Rư nên có thể bỏ qua Lư. Bỏ qua Lư phương trình sẽ là:
Vư – RưIư = Kb ω (5)
Phương trình mômen tải Tm đặt trên trục động cơ :
Tm = Tđ + Ts + Tc (6)
Và
Td =Jđc (dω/ dt)
Ts = fdcω
Tc =Jm (dω/dt)+fm
Trong đó :
- Tđ - mômen động
- Ts - mômen tĩnh
- Tc - mômen cản
- Jđc- mômen quán tính roto động cơ
- Fđc- hệ số sức cản nhớt của tải
- Jm – mômen quán tính tải
- Fm- hệ số sức cản nhớt của tải
Để động cơ quay thì mômen động cơ phải bằng với mômen tải:
Tm= Tđc=Km.Iu
Ưu điểm của động cơ Servo DC chổi than là đơn giản trong điều khiển và giá
thành sản phẩm rẻ. Tuy nhiên sử dụng chuyển mạch cơ khí gây ra ồn, tăng nhiệt
độ trên vành góp và quán tính rô to cao khi giảm tốc độ. Để khắc phụ các nhược
điểm trên người ta đã sử dụng đông cơ Servo DC không chổi than.
1.2.2 Động cơ Servo DC không có chổi than
Động cơ Servo DC không có chổi than được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điều khiển số. Cấu trúc của nó về cơ bản giống như động cơ Servo DC chổi than nhưng khác ở chổ các cuộn pha của động cơ lắp trên Stato và Rôto là nam châm vĩnh cửu. Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban . Rôto làm từ vật liệu samari coban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp. Nhưng giá thành rôto loại này cao hơn nhiều so với khi rôto làm từ vật liệu ferit. Vì vậy, nó chỉ dùng để chế tạo rôto cho động cơ công suất lớn. Tương tự như động cơ xoay chiều, từ trường quay trong động cơ DC không chổi than được sinh ra nhờ mạch điều khiển thứ tự cấp dòng cho các cuộn pha. Cuộn dây pha của động cơ không chuyển động vì vậy có thể sử dụng chuyển mạch bằng điện tử nên loại trừ bằng những nhược điểm tồn tại trong động cơ DC Servo chổi than. Điều khiển các trục máy công cụ điều khiển số đòi hỏi điều khiển chính xác cả về vị trí và tốc độ. Vì vậy, động cơ Servo DC không chổi than cần phải có mạch phản hồi, tính hiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục. Để đảm bảo chính xác chuyển động bàn máy, tín hiệu phản hồi phải được cấp liên tục cho mạch điều khiển. Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi của động cơ Servo DC thường sử dụng là cảm biến tốc độ (Tachometer) chổi than hoặc không có chổi than, sensor hiệu ứng Hall, resolver, synchro và encoder.
Hình 1.4: a) Sensor hiệu ứng Hall và đĩa từ lắp ở đuôi động cơ
b) Tín hiệu chuyển mạch sensor hiệu ứng Hall sinh ra trong một vòng
Phuơng pháp chuyển mạch hiệu ứng Hall đuợc sử dụng khá phổ biến trong điều khiển động cơ Servo DC. Trong động cơ Servo DC 3 pha không chổi than người ta đặt cố định 3 sensor hiệu ứng Hall lên vỏ phía đuôi động cơ và cách điều 1200 quanh trục động cơ. Để lấy tín hiệu sensor hiệu ứng Hall, một đĩa từ như chỉ ra trên (hình 1.4a) được lắp trên đuôi trục động cơ và trên dĩa người ta cắt một rãnh. Khi một trong 3 sensor hiệu ứng Hall đi qua rãnh, trong khoảng thời gian ngắn dòng từ bị mất và kết quả là trên đầu ra của sensor hiệu ứng Hall VH không có điện áp Vh (Vh – điện áp hiệu ứng Hall). Tín hiệu ra từ sensor thuờng đuợc đưa qua mạch Trigger Smith để hiệu chỉnh lại thành xung chữ nhật.
Hình 1.4b chỉ ra tín hiệu đưa ra từ sensor hiệu ứng Hall trong 1 vòng quay của trục động cơ. Tín hiệu này có thể dùng để điều khiển chuyển mạch Transitor công suất ở tín hiệu ra của điều khiển động cơ. Đồng thời cũng có thể dùng để xác định vị trí của động cơ
Hình 1.5: Một trong sáu tầng biến đổi của hệ điều khiển động cơ DC không chổi than
Dòng chảy từ nguồn 12V qua cuộn Lp2 của T1 hướng tới điểm D qua Q4 về đất trong cuộn Ls2 xuất hiện dòng điện chảy qua Ls2 tới điểm E nạp điện cho tụ C1. Như vậy với tần số thấp của tín hiệu Enable, tụ C1 nhanh chóng đuợc nạp đến mức xác định vì xung dòng ở điểm C và D có tần số di trì ổn định cho nên nạp điện áp tại điểm E gần như không thay đổi. Điện thế ở tại điểm E là điện áp cho Anôt của Triristor T1.
Điện áp tại điểm F điều khiển biên độ dòng gốc của khuếch đại công suất Dalington và điện áp này là hàm của tín hiệu chuyển mạch ở điểm B Trong thời gian ở vùng rỗng của tín hiệu ở điểm B dòng điện 1 chiều điện áp 12V qua Trasitor Q2 tới điểm G của cuộn dây Lp1 của biến thế T2 sau đó qua cuộn Lp1, diode D1 đến C, lúc này chân Q của CD4047B ở mức cao và tại B mức logic thấp D2 trở thành điện áp thuận dòng chảy từ G qua D2 qua Q4 về đất.
Khi tín hiệu Q chuyển xuống mức thấp gây ra ngắt dòng chảy trong Lp1 của T2 diode Schottky D5 trở thành điện áp thuận. Kết quả là có dòng chảy tới điểm F. Khi Qbù chuyển từ cao xuống và dòng chảy trong Lp2 của T2 bị ngắt D6 có thiên áp thuận dòng chảy về điểm F
Biên độ của điện áp tại điểm F tỉ lệ với độ rỗng của xung chữ nhật điểm B. Mạch Darlinton bị khóa khi hệ điều khiển giữ cho cực gốc của Transitor Q2 ở mức logic cao. Khi q2 khóa bộ biến đổi đẩy kéo thứ 2 không hoạt động và không có chảy tới điểm F, do đó không có dòng cấp cho cực gốc của Q6 nên Q6 bị khóa. Khi tại điểm B chuyển từ logic cao sang logic thấp Transitor Q2 mở. Độ rỗng xung tại điểm B tăng lên làm cho dòng gốc của Transitor Q6 tăng lên và khi độ rỗng của xung vào B giảm xuống dòng gốc của Q6 cũng giảm xuống. Như vậy dòng collector và emitter của Darlington là hàm của độ rỗng tín hiệu chuyển mạch.
Tiristor T1, Transitor Q5 và Diode zener D7 hình thành mạch bảo vệ động cơ Servo và chống quá áp cho mạch điều khiển. Để không chế quá áp người ta nối điểm H trong hình 1.7 với điểm trong hình 1.6. Tiristor T1, transitor Q5 và diode zener D7, điện trở R3 và R4 được lắp như chỉ ra trên hình 1.7. Trong mạch điện trở R3 và điện trở R4 chọn đủ lớn để với điện áp bình thường Q5 luôn bị khóa do đó Tiristor T1 cũng luôn bị khóa. Khi điện áp tại D vượt quá điện áp định mức đủ lớn Transitor Q5 mở, Transitor T1 mở nên điện áp tại điểm E và F gần bằn không và mạch Darlington khóa. Chú ý rằng trong quá trình điện áp tại D vượquá điện áp cho phép, Transitor Q2 đang ở trạng thái mở.
Hình 1.6: Kết cấu động cơ DC không chổi than
Hình 1.6 là kết cấu của động cơ DC không chổi than. Trên động cơ bố trí hệ thống phanh, sensor đo tốc độ , chuyển mạch hiệu ứng Hall, sensor kiểm tra nhiệt độ động cơ. Trong than đòi hỏi hệ điều khiển động cơ cung cấp tín hiệu điều khiển cả vị trí và cả tốc độ. Có 2 kiểu cơ bản của hệ điều khiển động cơ Servo: tương tự và số.
Hệ điều khiển Servo kiểu tương tự là sử dụng mạch điện để thực hiện bù sai số vị trí và tốc độ. Hệ gồm 4 cụm điều khiển cơ bản: máy tính điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và động cơ một chiều không chổi than. Mối quan hệ giữa các cụm điều khiển chỉ rõ trong hình với tín hiệu phản hồi vị trí từ bộ biến đổi encoder hoặc Sesolver qua mạch phản hồi để hồi sinh ra sai số tốc độ và sai số được đưa đến hệ điều khiển tốc độ để sử lí cho phù hợp với vị trí. Hệ điều khiển tốc độ chứa mạch phản hồi tốc độ sinh ra từ Tachometer. Tín hiệu được so sánh với tín hiệu được đưa ra từ hệ điều khiển vị trí và sinh ra điện áp và dòng phù hợp bù cho sai số vị trí và tốc độ.
Hình 1.7: Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ DC kiểu tương tự CNC
Hình 1.8 là một kiểu mạch điều khiển động cơ Servo DC dùng trong máy công cụ điều khiển số CNC. Điện áp lỗi tương tự CNC và tín hiệu phản hồi của Tachometer gởi tới mạch điều chỉnh (PI) để sinh ra tín hiệu điều khiển vị trí. Tín hiệu sinh ra từ bộ điều chỉnh PI và tín hiệu từ mạch dao động đưa tới mạch khuếch đại công suất trước khi tới mạch điều chế chiều rộng xung (PWM). Xung tam giác là xung chuẩn được sinh ra từ mạch phát xung. Xung này được gửi bộ điều chế chiều rộng xung. Trên hình 1.10 điện trở R1 là điện trở khuếch đại của mạch điều khiển vị trí.
Hình 1.8: Mạch điều khiển đông cơ Servo DC
1.3 Lựa chọn động cơ
Khi lưa chọn động cơ người thiết kế phải xem sét nhiều yếu tố và các đặc trưng về dải tốc độ, sự biến đổi momen tốc độ, tính thuận nghịch, chu kì làm việc, momen khởi động và công suất yêu cầu.
Hình 1.9: Đường cong momen tốc độ động cơ bước
Đặc biệt lưu ý tới đường cong momen tốc độ động cơ bởi vì các đường cong này cho ta những thông tin quan trọng. Hình 1.9 chỉ ra đường cong momen tốc độ khác nhau với điện áp tiêu thụ tương ứng. Để lựa chọn lựa công suất chúng ta cần chọn lưạ các vấn đề sau:
1.3.1. Momen khởi động động cơ.
Momen ở tốc độ quay bằng 0 được gọi là momen khởi động cơ. Để động cơ tự khởi động được, động cơ phải sinh ra momen lớn hơn momen ma sát và momen tai đặt lên trục của nó. Nếu gọi a là gia tốc góc của động cơ và được đo bằng Rad/s2, Tm là momen động cơ, Ttải là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán tính của Rôto và tải ta có quan hệ:
A=(Tm-Ttải)/J
1.3.2. Tốc độ cực đại của động cơ.
Nhìn vào đồ thị quan hệ momen tốc độ, tại điểm momen bằng 0 xác định tốc độ cực đại của động c.ơ. Cần phải nhớ rằng tại tốc độ này động cơ không qua momen và tốc độ này gọi là tốc độ không tải.
1.3.3. Công suất yêu cầu tải.
Công suất yêu cầu đặt biệt quan trọng đối với động cơ, vì vậy người thiết kế phải lựa chọn động cơ có công suất tuơng ứng với công suất yêu cầu trong chu kỳ làm việc.
1.3.4. Nếu hệ dẫn động yêu cầu điều chỉnh tốc độ:
Tốt nhất là lựa chọn động cơ đồng bộ hoặc động cơ một chiều.
1.3.5. Nếu hệ yêu cầu điều khiển cả vị trí và tốc độ.
Trong truờng hợp vị trí góc thực hiện theo vị trí rời rạc hoặc gia số, tốt nhất là động cơ buớc. Động cơ bước có thể điều khiển tốc độ bằng cách thay đồi tần số cấp xung và chỉ dùng trong các mạch điều khiển nhỏ có nghĩa là không có mạch phản hồi. Động cơ buớc chỉ dùng trong truờng hợp tải trọng tải nhỏ và không thể dùng trong truờng hợp đòi hỏi tốc độ quá cao. Trong truờng hợp yêu cầu điều khiển cả vị trí và tốc độ, ví dụ trong các thiết bị chuyển động theo 17 chương trình số, nguời ta thường sử dụng động cơ Servo. Động cơ Servo là động cơ AC, DC hoặc động cơ một chiều không có chổi than có mạch phản hồi vị trí. Động cơ Servo đắt hơn động cơ bước.
1.3.6. Hệ thống cần hay không cần giảm tốc.
Thông thuờng tải được điều khiển ở dải tốc độ thấp và momen lớn. Đác tính của động cơ ở tốc độ cao momen thấp vì vậy cần hợp tốc độ để giảm tốc độ đầu ra. Khi dùng hợp tốc độ quán tính tải cũng thay đổi theo và sự thay đổi này thể
hiện trong công thức:
Jc= Jtải(ωtải / ωđ)2
Trong đó:
- ωtải- Tốc độ góc của tải, Rad/s
- ωđ - Tốc độ góc của động cơ, rad/s
1.3.7 so sánh các loại động cơ
Động cơ bước ( stepping motor ):
Ưu điểm: có thể điều khiển chính xác góc quay, giá thành thấp Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc . Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại. Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
Nhược điểm:Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển. Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo.Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao
Động cơ servo:
Ưu điểm: momen xoắn lớn, độ chính xác cao, Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong động cơ bước.
Nhược điểm: Giá thành cao, diver phức tạp
Động cơ một chiều ( DC motor ):
Ưu điểm: Giá thành thấp, momen xoắn lơn.
Nhược điểm: đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp, phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao được độ chính xác.
Kết luận: chọn động cơ dẫn động là động cơ dc servo
1.4 HỆ THỐNG SERVO
1.4.1 Hệ thống Servo là gì ?
“Servo” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp Secvus (vervant). Hệ thống được gọi là : “Hệ thống Servo” chấp hành trung thành với một lệnh
Hình 1.10: Mô hình một hệ thống Servo
*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 ví dụ về các cơ cấu định vị:
Cơ cấu định vị đơn giản :*Các ví dụ về cơ cấu này đó là xy lanh hay trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm
Hình 1.11: Xy lanh hay 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
Hình 1.12: Điều khiển vị trí linh hoạt bởi động cơ servo
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 đich 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 hay quay.
Hình 1.13: Điều khiển chạy trực tiếp
- Ưu điểm là cơ cấu chấp hành đơn giản và nâng cao tuổi thọ hộp số truyền
động (do truyền động khá êm).
*Backlash và hiệu chỉnh:
- Backlash hiểu đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo. Tất cả các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0). Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:
Hình 1.14: Sự giật lùi của cơ khí
Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo. Chuyển động tới và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình. Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoảng trống đó nhưng không được vượt quá khoảng trống (đây là một trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo). Giới hạn này được gọi là backlash. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có một sự bù trừ cho nó.
Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiện việc bù trừ, hiệu chỉnh này. Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệu chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽ không được tính đến trong bộ đếm xung.
1.4.2 Hệ thống điều khiển
Có ba dạng :
Điều khiển vòng hở:
Hình 1.15: Điều khiển vòng hở
Nghĩa là bộ điều khiển vị trí chỉ đặt lệnh cho động cơ quay mà thôi. Điều khiển nửa kín:
Hình 1.16: Điều khiển nữa kín
Ở đây số vòng quay của step motor được mã hóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí. Nghĩa là đến đây thì động cơ step chỉ quay một số vòng nhất định tùy thuộc vào “ lệnh” của bộ điều khiển vị trí, nói cách khác bộ điều khiển vị trí có thể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào đồ của người thiết kế.Điều khiển vòng kín.
Hình 1.17: Điều khiển vòng kín
Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thong qua một thướt tuyến tính. Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp 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.
1.4.3 Cấu hình của hệ thống servo:
Hình 1.18: Cấu tạo của hệ thống servo
Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sử dụng cảm ứng từ nói chung là nó có một máy dò để phát hiện tốc độ quay và vị trí.
Bộ điều khiển (Tính hiệu đầu vào)
Điều khiển tốc độ đông cơ servo quay với một tốc độ tương ứng với tính hiệu điện áp đầu vào. Vì vậy nó giám sát tốc độ quay của đông cơ trong mọi thời điểm.
Sơ đồ khối điều khiển động cơ servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ:
Hình 1.19: Sơ đồ khối động cơ servo
Trong đó phần A B C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh. Phần D E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A B C thì khá phổ dụng trong các sơ đồ khối điều khiển, phần D E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau.
1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Servo
1.5.1 Cấu tạo của động cơ servo
Hình 1.20: Sơ đồ cấu tạo của động cơ servo
1.5.2 Nguyên lý làm việc của động cơ servo
Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ servo
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG “MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ”
2.1 Thiết kế
2.1.1 Yêu cầu chung.
- Độ chính xác cao
- Hệ thống hoạt động ổn định.
- Dễ dàng sử dụng.
- Chi phí thấp.
2.1.2. Bản vẽ
a b
Hình 2.1 a. Bản thiết kế mặt bên gắn động cơ bàn máy.
b. Sản phẩm sau khi gia công. b
Hình 2.2 a. Bản thiết kế mặt bên không gắn động cơ.
b. Sản phẩm sau khi gia công.
a. b.
Hình 2.3 a. Bản thiết kế Part L nối trục vitme với mặt bàn.
b. Sản phẩm sau khi gia công.
2.2 Thi công
2.2.1 Cơ khí
2.2.1.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động:
Để dẫn động cho bàn máy nhòm em sử dụng cơ cấu vitme đai ốc.
Hình 2.4 Trục chuyển động
Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động.
Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vit, một vòng quay của động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương án này là chậm và có độ chính xác khi chuyển động không cao vì có độ rơ của đai ốc.
Một số ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật. Phương án này được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật lệu cứng, kích thước lớn …
2.2.1.2 Vất liệu
- Ray trượt tròn Ф12 độ cứng 30.
Thông số kỹ thuật:
- Chất liệu: bearing steal, GCr15
- Độ cứng: HRC30
- Độ chính xác: g6
- Bề mặt gồ ghề: Dưới 1.5μM (Rmax)
- Bề mặt cứng dày 0.8μ ~ 3mm
- Chiều dài: 1400mm
- Con trượt
Sử dụng con trượt tròn có bọc ngoài Ф12.
Hình 2.5 Con trượt có bọc ngoài
- Trục vitme.
- Chiều dài: 1400mm
- Đường kính trục: Ф 10
- Đường kính ren: Ф 12
- Bước ren: 5mm
- Chất liệu: Sắt
2.2.1.3 Động cơ.
- Sử dụng động DC servo.
- Dải điện áp 0V- 24V.
- Công suất: 53W
- Số xung: 240 xung
- Tốc độ: 3700 vòng/phút
- Tần số 3kHz-15kHz.
...........................
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. Kết quả đạt được.
- Hoàn thiện được mô hình điều khiển vị trí.
- Điều khiển mô hình chạy được bằng phần mềm visual basic.
- Mô hình chạy đúng với vị trí được điều khiển.
- Kiểm tra được sự ổn định của mô hình thông qua PID bằng phần mềm DC10 Config Panel.
- Thiết kế được mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks.
4.2 Kết quả chưa đạt được.
- Phần cơ khí có độ chính xác chưa cao.
- Hệ thống chạy còn rung ( do ray trượt nhỏ nên chịu lục chưa tốt)
- Tính thẩm mỹ chưa được cao.
4.3 Hướng phát triển.
- Thiết kế được mô hình mang tính chính xác cao hơn.
- Sẽ tìm hiểu điều khiển mô hình vị trí ổn định hơn bằng PID thông qua visual basic.
- Sẽ làm hệ thống cân bằng hơn, giảm độ rung hơn.
