CHAPTER 3

14/01/2021 VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN GIẢNG VIÊN: TS ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG MOBIL: 0372630593 EMAIL: giangdth@epu.edu.vn TS Đoàn Thị Hương Giang Động bước Step motor 14/01/2021 Giới thiệu • Là động đồng bộ, dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rơto • Đặc điểm: – Điều khiển vị trí mà khơng cần tín hiệu hồi tiếp – Rất hữu ích việc điều khiển vị trí xác robot Cấu tạo Về cấu tạo: động bước coi tổng hợp hai loại động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ Gồm: rotor + stator 14/01/2021 Hoạt động • Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển học • Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định • Tổng số góc quay rơto tương ứng với số lần chuyển mạch • Chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Hoạt động(tt) • Các đầu nối trung tâm nối vào cực dương nguồn cấp Hai đầu nối mấu nối đất để đảo chiều từ trường tạo bới cuộn 14/01/2021 Phân loại Theo cách đấu cặp cực • Động bước đơn cực : đầu dây • đầu dây Động bước lưỡng cực : pha đầu dây TS Đoàn Thị Hương Giang 14/01/2021 Phân loại (tt) • Theo loại động cơ: – Biến từ trở (variable reluctance) – Nam châm vĩnh cửu – Loại hybrid (Lai - loại kết hợp loại động trên): • Loại động lai loại động kết hợp tốt đặc tính động biến từ trở động nam châm vĩnh cửu • Các động lai cấu tạo cực stator nhiều bánh rotor nam châm vĩnh cửu • Do ưu tốc độ, lực xoắn moment tĩnh cao, động nên loại motor thường dùng loạt ứng dụng thương mại: ổ đĩa máy tính, máy nghe nhạc, CD … • Một số ứng dụng công nghiệp khoa học: robot, máy công cụ, chọn đặt máy, máy cắt dây tự động liên kết dây, thiết bị kiểm sốt chất lỏng, Ứng dụng • Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa dạng số • Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác – Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay • Trong cơng nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in 14/01/2021 Ưu điểm động bước Góc quay động bước tỷ lệ thuận với số xung vào Động bước có lực momen toàn phần trạng thái dừng (nếu cuộn dây cung cấp lượng) Độ xác tin cậy cao trình điều khiển, sai số nhỏ (3 đến 5%) không cộng dồn cho bước di chuyển Có đáp ứng tốt lệnh bắt đầu, dừng lại chuyển hướng Rất tin cậy so với động cổ góp khơng có phần cổ góp Do độ bền động bước phụ thuộc vào độ bền vòng bi Động bước phụ thuộc vào xung số điều khiển vòng điều khiển hở, giúp cho trình điều khiển rẻ đơn giản Nó đạt vịng quay thấp, tốc độ đồng với tải trực tiếp với trục Động bước đáp ứng giải rộng tốc độ tương ứng với tỷ lệ tần số xung ngõ vào Chế độ hoạt động động bước • Động bước có ba chế độ hoạt động: – full step – bước – half step – nửa bước – micro step – vi bước 14/01/2021 Cả bước – Một pha (Full step) • Từng cuộn dây động bước cấp điện để làm quay rơto VD với động có 200 rotor/hoặc 200 bước:  Góc bước = 360º/200 = 1,80 • • Mỗi bước có cuộn dây kích hoạt Chuỗi xung bước điều khiển động bảng: ký hiệu “1” có nghĩa cuộn cấp điện Cả bước – Hai pha • Từng cuộn dây động bước cấp điện để làm quay rôto VD với động có 200 rotor/hoặc 200 bước:  Góc bước = 360º/200 = 1,80 • Mỗi bước có cuộn dây kích hoạt Chuỗi xung bước điều khiển động bảng: ký hiệu “1” có nghĩa cuộn cấp điện TS Đoàn Thị Hương Giang 14 14/01/2021 Nửa bước (half step) – pha hai pha  Cung cấp mơ-men xoắn khoảng 30%, tạo chuyển động mượt mà so với chế độ FULL STEP  Half step: Với động 200 bước với phương pháp bước môtơ từ: 00; 0,90; 1,80; 2,70; 3,60; 4,50…… 359,10 MICROSTEP  Microstepping kỹ thuật động bước, kỹ thuật cho phép điều khiển dòng điện cuộn dây cho chia nhỏ bước lớn thành bước nhỏ  Trong thực tế chia nhỏ bước đầy đủ 1,8 độ thành 256 bước nhiều hơn, nâng tổng số bước vòng lên 51200 Cũng động chạy chế độ hafl step cung cấp mơ-men xoắn khoảng 30% so với full step 14/01/2021 Mạch điều khiển động bước Dùng vi mạch chuyên dụng ULN Dùng kích dịng darlington TS Đồn Thị Hương Giang 18 14/01/2021 Tính tốn chương trình điều khiển  u cầu: động bước quay thuận lần bước với tốc độ 50 vịng/phút (giả sử động có góc quay 7.20 / bước) • Góc quay 7.20 / bước  vòng quay cần 3600 / 7.20 = 50 bước  50 vịng quay cần thực 2500 bước • Tốc độ 50 vòng/phút  phút (60s) thực 2500 bước  bước cần 60/2500 = 0,024s = 24 às ã Th t kớch xung nh bng di: TS Đoàn Thị Hương Giang 19 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - DC TS Đoàn Thị Hương Giang 20 10 14/01/2021 TS Đoàn Thị Hương Giang 25 TS Đoàn Thị Hương Giang 26 13 14/01/2021 Điều khiển động DC • Khởi động: – Trực tiếp – Dùng điện trở khởi động • Điều chỉnh tốc độ động cơ: – Thao đổi điện trở phần ứng – Thay đổi từ thông – Thay đổi điện áp nguồn cấp cho phần ứng động • Hãm động DC - Hãm động - Hãm dòng điện ngược - Hãm tái sinh TS Đoàn Thị Hương Giang 27 Điều khiển trực tiếp động DC TS Đoàn Thị Hương Giang 28 14 14/01/2021 Đảo chiều quay động DC TS Đoàn Thị Hương Giang 29 Mạch H bridge đảo chiều quay ĐC • • • • Module H-Bridge mạch cầu công suất cao giúp cho phép điều khiển động DC/DC Servo Mạch gồm transistor tạo thành cầu H Các điốt D1 đến D4 có chức bảo vệ transistor lưỡng cực tương ứng khỏi bị hư hại Các điện trở R1 đến R4 giới hạn dòng cực B transistor tương ứng TS Đoàn Thị Hương Giang 30 15 14/01/2021 • Ngun lí làm việc: – Khi đầu nối D nối đất A kéo +Vcc: transistor Q1 Q4 dẫn dòng điện qua động từ trái sang phải – Khi đầu nối B nối đất C kéo + Vcc, transistor Q3 Q2 bật dòng điện chạy qua động từ phải sang phải làm cho động quay theo hướng ngược lại TS Đoàn Thị Hương Giang 31 Mạch cầu H sử dụng FET TS Đoàn Thị Hương Giang 32 16 14/01/2021 Vi mạch L293D Thông số kỹ thuật: • Điện áp cực đại: 36V • Dịng cực đại: 1.2A • Dải nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 150oC   L239D chip tích hợp mạch cầu H vi mạch 16 chân nên điều khiển đối tượng với chip L239D có điện áp lớn 36V dịng điện lớn 1.2A  thích hợp cho các ứng dụng động DC công suất nhỏ vừa TS Đoàn Thị Hương Giang 33 Điều khiển đảo chiều quay 01 động DC TS Đoàn Thị Hương Giang 34 17 14/01/2021 Điều chỉnh tốc độ động DC TS Đoàn Thị Hương Giang 35 Điều chỉnh tốc độ động • Thay đổi điện trở phần ứng: – Là phương pháp đơn giản giúp điều khiển tốc độ động điện chiều – Mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc đường đặc tính giảm, số vòng quay giảm tốc độ chậm tương ứng – Phạm vi điều chỉnh hẹp, phụ thuộc vào tải, độ tổn hao lớn • Thay đổi từ thơng: – Là điều chỉnh momen điện từ sức điện động động – Khi từ thơng giảm tốc độ quay động tăng lên – Phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ khó thực • Thay đổi điện áp nguồn cấp cho phần ứng động cơ: – Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động – Khi thay đổi điện áp phần ứng tốc độ quay động thay đổi tương ứng TS Đoàn Thị Hương Giang 36 18 14/01/2021 Điều chỉnh tốc độ động (tt) • • Tốc độ quay động điện chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điện áp tác dụng thay đổi cách sử dụng thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp Thyristor, transistor VĐK, PLC,… – Trong mạch điện gọi mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động thay đổi cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on" thời gian "off" thay đổi làm thay đổi điện áp trung bình – Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn cho điện áp trung bình đặt vào động Ví dụ: Với điện áp nguồn cung cấp 100V, tỷ lệ thời gian ON 25% điện áp trung bình 25V – Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng phần ứng làm cho dịng điện khơng bị gián đoạn, qua ốt gọi ốt phản hồi, nối song song với động Tại thời điểm này, dòng điện mạch cung cấp khơng dịng điện qua động khác khơng dịng trung bình động ln lớn dịng điện mạch cung cấp, trừ tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100% Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động dịng cung cấp Mạch đóng cắt tức thời bị tổn hao lượng mạch dùng điện trở Phương pháp gọi phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation PWM), thường điều khiển vi xử lý Đơi người ta cịn sử dụng mạch lọc đầu để làm phẳng điện áp đầu giảm bớt tạp nhiễu động TS Đoàn Thị Hương Giang 37 PMW • • • • Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác, phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm PWM điều khiển độ nhanh chậm động hay cao nữa/được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tải cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt TS Đồn Thị Hương Giang 38 19 14/01/2021 PMW điều khiển động sử dụng IGBT TS Đoàn Thị Hương Giang 39 Vi mạch 555 tạo xung PMW điều khiển tốc độ động DC • • • Thời gian Bật phụ thuộc vào điện trở R1, bên trái biến trở tụ C1, thời gian Tắt phụ thuộc vào tụ C1 bên phải biến trở Tổng trở nạp xả giữ nguyên lắp thêm biến trở VR nối tiếp với R1(VR>>>R1) để thay đổi thời gian chu kỳ cap/thấp xung Chân điều khiển IC 555 không sử dụng kết nối với tụ điện 100nF để loại bỏ nhiễu bên từ chân Đầu IC 555 để trống cấp dòng điện 200mA cho tải Vì vậy, động mà muốn điều khiển vượt định mức này, cần sử dụng transistor MOSFET để điều khiển động Trong sơ đồ sử dụng transistor Darlington (TIP122) khuếch đại dịng điện lên tới 5A TS Đồn Thị Hương Giang 40 20 14/01/2021 Lưu ý • • • • • Động DC chuyển đổi lượng điện dạng dòng điện trực tiếp thành lượng học Trong trường hợp động cơ, lượng học tạo dạng chuyển động quay trục động Hướng quay trục động đảo ngược cách đảo chiều hướng dòng điện trực tiếp qua động Động xoay tốc độ định cách áp dụng điện áp cố định cho Nếu điện áp thay đổi, tốc độ động thay đổi Do đó, tốc độ động DC điều khiển cách áp dụng điện áp DC khác nhau; hướng quay động thay đổi cách đảo ngược hướng dòng điện qua – Để áp dụng điện áp khác nhau, sử dụng kỹ thuật PWM – Để đảo ngược dịng điện, sử dụng mạch H-Bridge IC điều khiển động sử dụng kỹ thuật H-Bridge chế khác TS Đoàn Thị Hương Giang 41 Điều khiển đảo chiều quay tốc độ động DC • • • • • Vi điều khiển 8051 điều khiển tốc độ động DC cách sử dụng Chuyển đổi tăng tốc Chuyển đổi giảm tốc độ kết nối với cổng hướng vi điều khiển tùy theo yêu cầu thuật toán đặt IC điều khiển động L293D để điều khiển chuyển động động DC theo hai hướng vi mạch có tích hợp mạch H-bridge Cổng P3.0 P3.1 sử dụng làm chân điều khiển hướng đầu ra: cung cấp điều khiển cho chân đầu vào motor1 động L293D để điều khiển động xoay theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ cách thay đổi cực phân cực thiết bị đầu cuối Và tốc độ động DC thay đổi thơng qua PWM Out chân P3.2 Có thể sử dụng định thời AT89S52 để tạo PWM TS Đoàn Thị Hương Giang PMW 42 21 14/01/2021 Điều khiển tốc độ động DC có phản hồi • • • • DC cấp nguồn 24V từ biến áp, sau chỉnh lưu cầu Tốc độ động điều khiển cách thay đổi điện áp cấp vào phần ứng thơng qua đóng mở van IGBT Thời gian mở van IGBT phụ thuộc vào thơi gian phát xung điều khiển VĐK 8051  điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho động (tính tốn tương ứng với tốc độ đặt) Encoder thường sử dụng để đo tốc độ thực tế động phản hồi điều khiển (cụ thể ĐKở 8051) TS Đoàn Thị Hương Giang 43 ĐỘNG CƠ SERVO TS Đoàn Thị Hương Giang 44 22 14/01/2021 Sự khác động Step motor – DC - Servo • DC: – Tốc độ quay nhanh, liên tục, phù hợp với ứng dụng cần tốc độ cao, điều khiển tốc độ sử dụng phương pháp PMW • Step motor: – Tốc độ chậm, điều khiển xác hướng xoay/vị trí, dễ thiết lập kiểm sốt vị trí điều khiển Điều khiển sử dụng ngắt mạch điện tử • Servo: – Tốc độ nhanh, mô men xoắn cao, thay đổi xác góc giới hạn, điều khiển sử dụng PMW – Công suất cao động bước TS Đoàn Thị Hương Giang 45 Động servo • Động vervo coi bao gồm thành phần: – Một động DC bình thường – Một giảm tốc bánh – Một thiết bị cảm ứng vị trí (thường Potentiometer-một nút điều khiển âm lượng) – Và mạch điều khiển TS Đoàn Thị Hương Giang 46 23 14/01/2021 Phân loại động Servo • Động DC Servo: – DC servo khơng thiết kế cho dịng điện cao thường phù hợp cho ứng dụng nhỏ – Gồm hai loại chính: • Động chiều có chổi than • Động chiều khơng chổi than • Động AC Servo: – AC servo loại động cho phép xử lý dòng điện cao nên thường sử dụng máy móc cơng nghiệp đặc biệt loại máy CNC – Nhờ phát triển vượt bậc công nghệ điều khiển điện nên hầu hết người ta sử dụng động AC Servo TS Đoàn Thị Hương Giang 47 • Động DC có chổi than o Cấu tạo gồm: stato, rotor, chổi than cuộn cảm lõi o Ưu điểm: động DC có chổi than dễ điều khiển, giá thành rẻ o Nhược điểm: Khi vận hành thương gây tiếng ồn, nhiệt độ cao vận hành quán tính cao giảm tốc độ Để khắc phục vân đề người ta hay dùng động DC khơng chổi than • Động DC khơng chổi than: o Cấu trúc tương đối giống với động có chổi than o Điều khác biệt cuộn pha lắp rotor động vĩnh cửu TS Đoàn Thị Hương Giang 48 24 14/01/2021 Nguyên lý làm việc • Động servo hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín: – Tín hiệu động nối với mạch điều khiển – Khi động vận hành vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Khi bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác TS Đoàn Thị Hương Giang 49 Điều khiển ĐC servo • • • PMW Với độ rộng xung cao tỷ lệ thuận với góc lệch SERVO Vị trí servo RC đại không xác định chu kỳ làm việc PWM (nghĩa là, thời gian ON, OFF) mà chiều rộng xung Một động servo điều khiển cách gửi loạt xung qua đường tín hiệu Tần số tín hiệu điều khiển phải 50Hz chu kỳ xung 20ms Độ rộng xung xác định vị trí góc servo loại servo thường xoay 180 độ (chúng có giới hạn vật lý di chuyển) TS Đoàn Thị Hương Giang 50 25 14/01/2021 Điều khiển ĐC servo • Nói chung xung có 1ms tương ứng với vị trí 00 đến 1800 Mặc dù thời gian tối thiểu tối đa xung đơi thay đổi theo loại khác • Xung có tần số 50 hz  Độ rộng xung từ 1ms (1000us) => 2ms (2000us) servo đặt với góc lệch tương ứng khoảng 00 đến 1800 , đó: – Xung có độ rộng 1ms  00 – Xung có độ rộng 1,5ms  900 – Xung rộng 2ms  1800 TS Đoàn Thị Hương Giang 51 Động servo MG996R • Mô-men xoắn cao, bánh kim loại với mô-men xoắn cao 10 kg-cm với dòng ổn định servo 2.5A • Dịng điện chạy từ 500mA đến 900mA điện áp hoạt động từ 4,8 đến 7,2V Ba chân tín hiệu: - Đất: - Nguồn: 5V - Chân điều khiển PMW TS Đoàn Thị Hương Giang 52 26 14/01/2021 Tạo PWM 8051 • ĐC Servo có thời gian chu kỳ nhiệm vụ thực tế cho -90° đến +90° xoay khác với lý tưởng • Tại ~ 0,54ms (chu kỳ nhiệm vụ 2,7%)  vị trí trục -90 ° vịng quay • Tại ~ 1.4ms (chu kỳ nhiệm vụ 7%)  vị trí trục ° (trung tính) vịng quay • Tại ~ 2.4ms (chu kỳ nhiệm vụ 12%)  vị trí trục + 90 ° vịng quay  Để điều khiển động servo -90 ° đến + 90 ° xoay Cần tạo dạng sóng PWM 50Hz với chu kỳ làm việc thay đổi từ ~ 0,54ms đến ~ 2,4ms Có thể tạo PWM Timer 8051 TS Đoàn Thị Hương Giang 53 The end TS Đoàn Thị Hương Giang 54 27 ... Giang 31 Mạch cầu H sử dụng FET TS Đoàn Thị Hương Giang 32 16 14/01/2021 Vi mạch L293D Thông số kỹ thuật: • Điện áp cực đại: 36 V • Dịng cực đại: 1.2A • Dải nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 150oC   L 239 D... chip L 239 D có điện áp lớn 36 V dịng điện lớn 1.2A  thích hợp cho các ứng dụng động DC công suất nhỏ vừa TS Đoàn Thị Hương Giang 33 Điều khiển đảo chiều quay 01 động DC TS Đoàn Thị Hương Giang 34 ... cấp mơ-men xoắn khoảng 30 %, tạo chuyển động mượt mà so với chế độ FULL STEP  Half step: Với động 200 bước với phương pháp bước môtơ từ: 00; 0,90; 1,80; 2,70; 3, 60; 4,50…… 35 9,10 MICROSTEP  Microstepping