NGHIÊN cứu hệ TRUYỀN ĐỘNG điện điều KHIỂN ĐỘNG cơ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN: “NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP” NGÀNH ĐÀO TẠO: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÃ SỐ NGÀNH: 7510301 Họ tên sinh viên: Trương Văn Sơn Người hướng dẫn khóa luận tốt nghiệp: TS.Trần Đức Chuyển Nam Định – Năm 2021 i LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành điện - tự động hóa ứng dụng nhiều cơng nghiệp Đối với điều khiển chuyển động hệ thống yêu cầu độ xác cao, việc điều khiển tốc độ hay vị trí cấu học quan trọng Một máy móc thơng dụng động cơ, sử dụng rộng rãi lĩnh vực Chính việc điều khiển động ghép nối chúng thành hệ truyền động tự động vơ quan trọng để tính toán sử dụng động Sau thời gian làm việc, nghiên cứu, ham khảo chúng em hoàn thành đề tài “NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP ” Động DC servo xuất nhiều công nghiệp sản xuất Hầu dây chuyền sản xuất hay xưởng, nhà máy, xí nghiệp sử dụng động DC servo Một số ứng dụng động DC servo công nghiệp điều khiển vị trí, vận tốc, gia tốc, cấu servo máy CNC, băng tải, cấu robot Bài làm cịn dựa nhiều lý thuyết, chúng em hoàn thiện cố gắng thực thực tế Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Đức Chuyển thầy cô môn giúp nhóm em hồn thành đồ án ! Nam Định, ngày tháng năm 2021 Sinh Viên Thực Hiện Trương Văn Sơn ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu em bạn Vũ Tiến Anh hướng dẫn khoa học thầy Trần Đức Chuyển Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác nhau, có ghi rõ phần nội dung tham khảo Ngoài ra, phần luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác nhau, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại Học Kinh Tế - Kỹ Thuật Công Nghiệp không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Nam Định, ngày tháng năm 2021 NGƯỜI CAM ĐOAN Trương Văn Sơn iii LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành Trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp thời gian tháng Trong q trình làm khóa luận tốt nghiệp, nhóm sinh viên nhận nhiều giúp đỡ để hoàn thành luận văn Trước tiên nhóm sinh viên thực xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Trần Đức Chuyển tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho nhóm suốt q trình thực luận văn tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp, người truyền đạt kiến thức tảng quý báu cho nhóm suốt thời gian học tập vừa qua Xin gửi lời cảm ơn bạn bè bạn sinh viên lớp DHDI11A1ND ln động viên, giúp đỡ nhóm trình làm luận văn Một lần xin chân thành cảm ơn đến người xung quanh, gia đình, người thân, bạn bè thầy cô bên cạnh, ủng hộ chung em đường học tập, làm việc tìm hướng tương lai iv TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP - BẢNG THEO DÕI THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Trương Văn Sơn MSV: 17204100019 Địa liên lạc: Nam Định Lớp: DHDI11A1ND Họ tên CBHD: TS Trần Đức Chuyển Khoa: Điện Tên đề tài: Nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển động Servo ứng dụng công nghiệp Khối lượng Tuần lễ Ngày CBHD ký Đã thực 20/02/2021 đến 22/02/2021 22/2/2021 đến Nhận đề từ GVHD Tổng quan đề tài Tổng quan đề tài Tổng quan hệ truyền động điện sử dụng đông Servo 24/2/2021 24/2/2021 đến Tiếp tục thực SV Tìm hiểu hệ thống Bản Word gửi GVHD làm chương 27/2/2021 27/2/2021 đến 1/3/2021 1/3/2021 đến 5/3/2021 5/3/2021 SV nghiên cứu hệ thống điều khiển máy công nghiệp sử dụng động Servo Viết chương gửi GVHD SV nghiên cứu tính tốn hệ thống truyền động Viết chương gửi GVHD SV Xây dựng hệ thống truyền động Viết chương gửi v đến 8/3/2021 8/3/2021 đến 15/3/2021 Tính tốn, xây dựng mạch điều khiển theo mơ hình tra LVTN: Tiếp tục 15/3/2021 đến 23/3/2021 SV lập trình mơ đánh giá kết Viết chương 3, gửi GVHD Lắp đặt mơ hình Viết chương chương Bản Word gửi GVHD sửa ktra 23/3/2021 đến 30/3/2021 10 11 30/3/2021 Chạy thử nghiệm đến kiểm tra sửa chữa 7/4/2021 sai sót 7/4/2021 SV tiến hành thực nghiệm mơ hình đến 15/4/2021 15/4/2021 12 Viết chương gửi GVHD Đề nghị thực / không tiếp tục thực kỳ GVHD Đánh giá khối lượng thực : 50% Kiểm sở công nghệ theo yêu cầu tốn đến 5/5/2021 Hồn thiện tồn đồ án SV hoàn thiện báo Hoàn thiện viết quyển, cáo GV HD đóng silde báo cáo quyển; Nộp Ngày …… tháng năm 2021 Thư ký giáo vụ Kiểm tra thực nghiệm mơ hình Ngày…… tháng……năm 2021 Khoa / Bộ môn xác nhận vi MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG x CÁC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ SERVO 1.2 PHÂN LOẠI 1.3 CẤU TẠO 1.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1.5 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM 1.6 ỨNG DỤNG 1.7 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 10 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 11 2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SERVO 11 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI 11 2.3 NGUYÊN LÝ 11 2.4 CÁC PHẦN CỦA MỘT ĐỘNG CƠ SERVO - ĐỘNG CƠ CHIỀU (MOTOR) 12 2.5 SERVO VÀ ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG 13 2.5 ĐIỀU KHIỂN SERVO 14 2.6 CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN 14 2.7 CHỨC NĂNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO 17 2.8 ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO ĐỘNG CƠ SERVO 17 2.9 TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO 18 2.10 PHẢN HỒI TRONG HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ SERVO 19 vii 2.11 BỘ PHẢN HỒI MÃ HĨA XUNG VỊNG QUAY 19 2.12 DRIVER SERVO 23 2.13 ENCODER 24 2.14 PHÂN LOẠI ENCODER 25 2.15 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI 30 3.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI 30 3.2 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA BĂNG TẢI 30 3.3 ỨNG DỤNG CỦA BĂNG TẢI 31 3.4 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ CỦA BĂNG TẢI 32 3.4.1 Cấu tạo băng tải 32 3.4.2 Nguyên lý hoạt động băng tải 33 3.4.3 Thông số băng tải 33 3.5 PHÂN LOẠI BĂNG TẢI 34 3.5.1 Phân loại theo phương chuyển động 34 3.5.2 Phân loại theo kết cấu 35 3.5.3 Phân loại theo công dụng 35 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG THỰC NGHIỆM CHO ĐỘNG CƠ SERVO 40 4.1 NHỮNG TRANG THIẾT BỊ CẦN CÓ ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH 40 4.1.1 Động SERVO 40 4.1.2 Bộ điều khiển Drive Servo 42 4.1.3 Giá đỡ băng tải 44 4.1.4 Cáp kết nối 45 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 45 4.3 CHƯƠNG TRÌNH SMARTJOG CHO ĐỘNG CƠ DRIVE SERVO 47 4.4 MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM TRÊN MATLAB SIMULINK 51 4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Tên nội dung hình Hình 1.1: Một số hình ảnh Động servo Hình 1.2: Động Cơ AC Servo - AC Servo Motor Trang 3 Hình 1.3: Động Cơ DC Servo - DC Servo Motor 4 Hình 1.4: Hình ảnh cấu tạo Động servo AC Hình 1.5: Hình ảnh cấu tạo Động servo DC Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng động servo ngành điện – điện tử Hình 1.7: Hình ảnh ứng dụng động servo ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống Hình 1.8: Hình ảnh ứng dụng động servo ngành may mặc, ngành giấy, bao bì Hình 1.9: Hình ảnh ứng dụng động servo máy đùn Hình 1.10: Hình ảnh ứng dụng động servo điều khiển vận chuyển Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động servo Hình 2.2: Các phần động Servo - Động chiều (motor) Hình 2.3: Điều khiển servo Hình 2.4: Mạch vịng điều khiển tốc độ động Hình 2.5: Mạch vịng điều khiển mơ men động Hình 2.6: Mạch vịng điều khiển vị trí động Hình 2.7: IGBT Hình 2.8: Tín hiệu điều khiển động servo Hình 2.9: Phản hồi hệ thống động servo Hình 2.10: Đĩa mã hóa Hình 2.11: Bộ mã hóa xung vịng quay tỷ lệ Hình 2.12: Khi thay đổi chiều quay xung thay đổi Hình 2.13: Số bit Hình 2.14: Encoder Hình 2.15: Một Driver Servo hãng Mitsubishi 5 7 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 10 12 14 16 16 17 18 19 20 20 21 21 22 23 24 25 ix 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Hình 2.16: Encoder dùng cơng nghiệp Hình 2.17: Đĩa Encoder tuyệt đối Hình 2.18: Đĩa Encoder tương đối Hình 2.20: Minh họa chiều quay động Hình 3.1: Băng tải dây chuyền điều khiển giám sát sản xuất tinh bột sắn Hình 3.2: Ứng dụng băng tải ngành than Hình 3.3: Cấu tạo băng tải Hình 3.4: Băng tải theo phương ngang Hình 3.5: Băng tải theo phương nghiêng Hình 3.6: Băng tải theo phương thẳng đứng Hình 3.7: Băng tải cao su Hình 3.8: Băng tải xích Hình 3.9: Băng tải lăn Hình 3.10: Băng tải xoắn Hình 3.11: Băng tải linh hoạt Hình 4.1: Động servo kéo băng tải Hình 4.2: Drive servo Hình 4.3: Mã tham số Drive động servo Hình 4.4: Giá đỡ băng tải Hình 4.5: Giá đỡ băng tải Hình 4.6: Cáp USB 2.0 to COM DB9 RS232 1.5M Hình 4.7: Mơ hình thực nghiệm Hình 4.8: Mơ hình thực nghiệm 26 27 28 31 32 34 35 36 37 37 39 40 40 41 42 43 45 46 47 48 48 49 50 46 Hình 4.8: Mơ hình thực nghiệm 47 4.3 CHƯƠNG TRÌNH SMARTJOG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DRIVE SERVO * Khởi động chương trình SmaretJog * Kết nối máy tính với Drive cáp chuyên dụng sau click vào biểu tượng Comm setting * Chọn cổng kết nối máy tính với Drive: 48 * Lúc giá trị Baud Rate (Tốc độ truyền) xuất 9600 * Sau click vào OK tiêp chọn đến NEW biểu tượng * Chọn Select Servo Model xuất click vào CSDJ Plus Series 49 * Nhấn vào Select * Nhấn vào Connect để kết nối với Drive 50 * Sau kết nối Drive ta click Jog cuối - Màn hình lên chức - Chức điều khiển số vòng quay động - Điều khiển quay thuận hay quay ngược - Nhấn vào Tesr Run động chạy 51 4.4 MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM TRÊN MATLAB SIMULINK Sơ đồ khối điều khiển động Servo với Arduino Matlab BEGIN Khởi tạo khối chức PWM,LCD,TIMER… Khởi tạo giá trị ban đầu NO START ? Cập nhật liệu từ ADC CPU Tính tốn thuật tốn PID Kiểu cổng ra? Analog PWM CPU ADC Xử lý truyền thống END 52 * Chương trình điều khiển đơng Servo Mô matlab: * Giao diện matlab: 53 * Chọn simulink công cụ: * Tại giao diện simulink chọn New để tạo sơ đồ: * Chọn vào khối để lấy khối tùy mục đích sử dụng: * Sẽ xuất giao diện : 54 * Tại giao diện ta chọn Library Brower công cụ biểu tượng * Sẽ xuất khối với mục đích sử dụng khác thư viện simulink 55 * Sau ta chọn khối cần sử dụng ta có sơ đồ sau: * Ghép khối lại với ta có sơ đồ mơ sau: * Giải thích số khối sơ đồ: - Speed: Tốc độ - Torque: Momen xoắn - Stator curent: Dòng điện Stator - Rotor speed: Tốc độ rotor - Electronmagnetic torque: Momen xoắn điện từ - DC bus voltage: Điện áp DC - Scope: Hiển thị Trong khối nguồn ta chọn tham số sau : 56 Trong khối động servor PM Synchronous Motor Drive: với tham số P=1,5kW, Rs = 0,2omh, Ld = Lq = 8,5.10-3 H, từ thông = 0.175, điện áp phần ứng định mức 220V; điện áp kích từ định mức 200V; số đôi cực p = 4; Mô men qn tính J =1,5.10 -4 Kgm2, dịng điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 3000 vòng/phút, encoder có độ phân giải cao 1000 xung/vịng; thời gian trích mẫu t = 10-3 Các thông số để điều chỉnh cho động servo : 57 Nhấn nút khởi động để mơ hình chạy : Nhấn vào khối scope để thị đồ thị dòng : Kết mô hệ truyền động sử dụng động Servo matlab sau: 58 Từ kết mô ta có nhận xét: Q trình khởi động động servo: động khởi động với thời gian ngắn từ giá trị ban đầu đến thời điểm 0,3s giá trị dòng điện tăng đột biến đến động làm việc ổn định (vào đồng bộ) tốc độ động đạt đến 300 rad/s, giá trị đặt bám sát giá trị đáp ứng, lượng bám sát lượng vào trình cân bằng, đáp ứng hệ thống truyền động làm việc ổn định 4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đối với mơ hình sau nhóm thi thi cơng nhận thấy hướng phát triển sau:  Tăng số lượng động đồng nhiều băng tải với  Áp dụng dạng chuyển động phức tạp để đồng ví dụ chuyển động nội suy cung tròn  Sử dụng mạch điều khiển với onchip nhiều tính điều khiển tốt Drive với động có cơng suất lớn Tiến hành ứng dụng để giải toán đòi hỏi chuyển động đồng Xây dựng, thiết kế hệ thống ứng dụng công nghiệp 59 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian ngắn thực đề tài tốt nghiệp, với nỗ lực cố gắng thân giúp đỡ tận tình thầy cô giáo, bạn bè lớp, đến em hồn thành đề tài tốt nghiệp Trong đề tài em tìm hiểu thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu tổng quan động chiều không chổi than - Đưa mơ hình tốn phương pháp điều khiển động chiều khơng chổi than - Tìm hiểu phương pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động điện mô hệ truyền động động chiều khơng chổi than Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân cịn nhiều hạn chế nên đề tài thực nhiều sai sót Em mong nhận bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến thầy giáo, bạn lớp để em thực hoàn thành đề tài tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình TS Trần Đức Chuyển, thầy cô khoa, bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Nam Định, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Trương Văn Sơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mitsubishi Electric (2014), “Servo Motion Controller Basics (Basic Model: SFC)” [2] Mitsubishi Electric, “ Melservo – J3 series ; SSCNET III interface , MRJ3-B Servo Amplifier ; Instruction Manual ” [3] Mitsubishi Electric, “ Q173D(S)CPU/Q172D(S)CPU User's Manual” [4] Mitsubishi Electric (20011), “ Melsec System Q ; Program Logic Controllers” [5] Mitsubishi Controller” Electric (2004), “Q173DSCPU/Q172DSCPU Motion [6] Mitsubishi Electric (2009), Misubishi Programmable Controller Melsec Q series; QCPU Programming Manual Common Instruction ½” [7] Mitsubishi Fatec (2009), “ AC Servo School Textbook – AC Servo Practice Course” [8] Mitsubishi Electric, “ Q173DSCPU/Q172DSCPU Motion Controller (SV22) Programming Manual (Advanced Synchronous Control)” [9] Mitsubishi Electric (2016), “ GT1055-QSBD, GT1050-QBBD, GT10 General Description” [10] Mitsubishi Melsoft (2012), “ Integrated FA Software, GT Designer3, Screen Design Manual Function ½” [11] Q173D(S)CPU/Q172D(S)CPU Programming Manual (REAL MODE) Motion Controller (SV13/SV22) [12] Programmable Controllers MELSEC-Q series [QnU] [13] Q173D(S)CPU/Q172D(S)CPU Motion Controller (SV22) Programming Manual (VIRTUAL MODE) [14] Khóa học MOTION CONTROLLER (Phần cứng) [15] Ứng dụng BỘ ĐIỀU KHIẾN CHUYẾN ĐỘNG (Chế độ ảo) [16] Khóa học MOTION CONTROLLER (Real Mode:SFC) [17] Mitsubishi Electric “ MELSERVO Solutions For all of your production needs Flying Shear” [18] Emerson Industrial Automation “ User guide – Flying shear – Application software” [19] ABB Motion Control Products Application note Flying shear ... 1.6 ỨNG DỤNG 1.7 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 10 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP... động thơng thường Đây yếu tố để nhận biết động Servo 11 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN... “NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP ” Động DC servo xuất nhiều công nghiệp sản xuất Hầu dây chuyền sản xuất hay xưởng, nhà máy, xí nghiệp sử dụng