Microsoft PowerPoint BG HTTDServo GuiThuVien 4/18/2023 1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Chương 1 Tổng quan về hệ thống truyền động servo [.]
4/18/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Nội dung giảng Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền động servo Chương 2: Động DC Servo Chương 3: Động AC Servo Chương 4: Điều khiển chuyển động cho hệ truyền động Servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền động servo 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo 1.3 Ứng dụng hệ thống truyền động servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo o Hệ truyền động servo (Servo Drive System) hệ thống điều khiển chuyển động (vị trí, tốc độ, dịng diện) kết cấu khí theo kiểu điều khiển vịng kín (Closed – loop feedback) o Hệ truyền động servo thường sử dụng ứng dụng chuyển động điều khiển với độ xác cao, đặc biệt hệ thống yêu cầu phản hồi nhanh có độ tin cậy lớn với tín hiệu đặt lệnh điều khiển Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo o Hệ truyền động servo thường có loại sau: Thủy lực (Hydraulic) Khí nén (Pneumatic) Điện (Electromechanical) o Học phần đề cập chủ yếu đến truyền động servo theo kiểu điện (sử dụng động điện), đồng thời cách sử dụng phổ biến ứng dụng điều khiển chuyển động xác cơng nghiệp tiện lợi phổ biến động loại Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo o Các động servo phổ biến: DC Servo (Direct Current Motor) AC Servo (Alternating Current Motor) Hybrid Servo (Step Motor) o Chú ý: bên cạnh servo kể trên, cịn có loại servo thơng dụng RC Servo (Radio Control Servo) hay sử dụng mơ hình điều khiển từ xa qua sóng vơ tuyến, hệ thống nhúng, … o Học phần đề cập chủ yếu đến hai loại động hay sử dụng DC Servo AC Servo (ở chương sau) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền động servo o Một số yêu cầu hệ truyền động servo: Dải tốc độ lớn Độ xác cao di chuyển Có đủ độ cứng truyền động độ ổn định tốc độ cao Phản hồi nhanh khơng có độ q điều chỉnh Vận tốc thấp tải lớn Khả tải Độ tín cậy lớn Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Cấu trúc hệ truyền động servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Một số thành phần động servo 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Driver & động servo hãng Mitsubishi Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Motion module hãng Mitsubishi Card PCI Express/PCI (Motion Control Boards) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Cấu trúc điều khiển hệ truyền động servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo Tín hiệu điều khiển từ điều khiển đến driver động Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo o Driver động servo hoạt động để vận hành chế độ điều khiển vịng kín o Tín hiệu phản hồi từ động bao gồm: vị trí, vận tốc, moment động servo so sánh với giá trị đặt trước từ xác định sai lệch điều khiển o Sau đó, driver sử dụng thơng tin sai số để điều chỉnh hoạt động động theo thời gian thực, cho trình hoạt động động đáp ứng yêu cầu ứng dụng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền động servo o Các mạch vòng điều khiển thường bao gồm ba mạch vòng sau: Mạch vòng điều khiển dòng điện Mạch vòng điều khiển tốc độ Mạch vòng điều khiển vị trí o Khơng phải tất ứng dụng điều khiển bao gồm ba dạng mạch vòng điều khiển vừa nêu Nhiều ứng dụng gồm có mạch vịng dịng điện mạch vịng tốc độ dùng cho điều khiển tốc độ Nhiều ứng dụng lại cần có ba mạch vịng điều khiển để điều khiển vị trí Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 1.3 Ứng dụng hệ thống truyền động servo o Các ứng dụng phổ biến hệ truyền động servo công nghiệp: Ứng dụng điều khiển robot Hệ thống máy CNC Các dây chuyền tự động hóa: • Máy may trang • Hệ thống lưu kho tự động • Hệ thống dao cắt bay, cắt quay • Hệ thống máy cắt túi nilon • Hệ thống máy đóng gói, … Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 1.3 Ứng dụng hệ thống truyền động servo Ứng dụng việc điều khiển khớp robot công nghiệp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Chương 2: Động DC Servo 2.1 Cấu tạo động DC Servo 2.2 Điều khiển động DC Servo 2.3 Mô động DC Servo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4/18/2023 2.1 Cấu tạo động DC Servo o Động DC Servo có thành phần chủ yếu sau: Thành phần động cơ: sử dụng động chiều DC Thành phần hồi tiếp – encoder o Bên cạnh đó, động DC Servo thường gắn thêm hộp số để tăng moment trục động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 2.1 Cấu tạo động DC Servo Động Cơ DC Servo JGB37-545 Động Cơ DC Servo JGY370 High Torque Self-Lock DC Geared Motor Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 10 4/18/2023 3.2 Động đồng 3.2.3 Điều khiển động đồng o Mơ hình tốn học Mơ hình động hệ tọa độ + − = + Moment động cơ: = Φ + Phương trình động lực: − + ω Φ − = Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Tiêu chí Nguồn cấp Tốc độ quay Moment xoắn Vận hành 3.3 So sánh động AC Servo DC Servo Động AC Servo Nguồn điện xoay chiều, thường dịng điện xoay chiều ba pha Có thể đáp ứng yêu cần vận hành tốc độ cao Moment xoắn cao Động DC Servo Nguồn điện chiều Đáp ứng vận hành với tốc độ thấp so với AC servo Moment xoắn thấp Động vận hành Động vận hành êm ổn định nhiều tiếng ồn tiếng ổn Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 31 4/18/2023 3.4 Ví dụ động AC Servo & Driver + Servo Motor: 180ST-M17215 + Servo Driver: AASD -40A Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 3.4 Ví dụ động AC Servo & Driver o Thông số động cơ: Mã 180ST-M17215 Công suất (P) 2.7 kW Điện áp (U) 220/380 V Tốc độ 1500 Rpm Số phase Momen xoắn (M) 17.2 N.m Dòng điện (I) Khối lượng 10.5/6.5 A 19.5 Kg Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 32 4/18/2023 3.4 Ví dụ động AC Servo & Driver o Hướng dẫn cài đặt Driver: Có thể tham khảo thơng số cho mạch vịng điều khiển thông qua manual Driver Thông số hệ thống: Pn000 -> Pn095 Thơng số mạch vịng điều khiển vị trí: Pn096 => Pn145 Thơng số mạch vịng điều khiển tốc độ: Pn146 => Pn185 Thông số mạch vịng điều khiển momen: Pn186 => Pn219 Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử Chương 4: Điều khiển chuyển động cho hệ truyền động Servo 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 4.2 Nội suy chuyển động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 33 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Phần tập trung vào việc thiết kế quỹ đạo chuyển động (trajectory generator) cho khớp cánh tay robot o Việc thiết kế quỹ đạo chuyển động đươc chia thành hai phương pháp chính: Chuyển động điểm – điểm (Point to Point) Chuyển động theo quỹ đạo cho trước (Contour) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 4.2.1 Chuyển động điểm – điểm o Cánh tay robot xem xét trường hợp có đặc điểm khớp hoạt động độc lập với o Từ toán động học ngược → vị trí mà khớp cần quay đến o Xem xét tốn cho góc khớp áp dụng tương tự bất kì, khớp cịn lại Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 34 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Yêu cầu: góc khớp di chuyển từ vị trí thời gian từ đến đến khoảng o Một số dạng quỹ đạo chuyển động sử dụng: Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động: Phương án chuyển động thường lựa chọn cho lượng tổn hao thời gian → nhỏ Điều thể thông qua việc toán tối ưu sau: = = − → : moment qn tính; : tốc độ góc : moment xoắn trục động cơ; Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 35 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động: Quỹ đạo chọn có dạng đa thức bậc 3: Các giá trị , , = + , + + xác định từ yêu cầu toán, cụ thể từ điều kiện biên chuyển động • Vị trí: vị trí ban đầu , vị trí kết thúc • Tốc độ: tốc độ bắt đầu = tốc độ cuối = Khi đó, cần xét đến biểu thức tốc độ góc: =3 +2 + Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động: Ví dụ: = 0, = , = =1 =0 =0 =3 = −2 =0 =0 ⇒ + = +2 =0 → Phương trình mơ tả quỹ đạo chuyển động: = −2 +3 = −12 +6 = −6 +6 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 36 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Chọn dạng quỹ đạo chuyển động: Với lý bên trên, công thức sử dụng quỹ đạo chuyển động có dạng đa thức bậc ba không sử dụng thực tế Vì vậy, cơng thức tính tốn quỹ đạo chuyển động chấp nhận chịu thêm tổn thất lượng để hài hịa tính liên tục chuyển động Một phương pháp hay áp dụng phương pháp Blended Polynomial (đa thức hỗn hợp) hay cịn gọi phương pháp vận tốc hình thang Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Phương pháp vận tốc hình thang Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 37 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Phương pháp vận tốc hình thang: Các giả thiết đặt ra: • Tốc độ ban đầu tốc độ cuối | = • Thời gian tang tốc giảm tốc • | =0 có giá trị điểm đầu điểm cuối Các điều kiện dẫn đến quỹ đạo đối xứng qua điểm giữa: − = = Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động o Phương pháp vận tốc hình thang: Với giá trị , , , , xác định biểu thức quỹ đạo chuyển động: + 0≤ ≤ = + − − − ≤ ≤ − − ≤ ≤ Chú ý quy luật vận tốc hình thang khơng đảm bảo tối ưu lượng đạt với quỹ đạo đa thức bậc ba, tăng khoảng 12.5% so với giá trị tối ưu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 38 4/18/2023 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 4.2.2 Chuyển động theo đường o Trong nhiều hoạt động, ví dụ hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu khơng gian có nhiều chướng ngại vật, robot cần điều khiển theo đường, số lượng điểm đường lớn hai o Bài toán đặt xác định quỹ đạo qua biến khớp phải thỏa mãn điểm chốt Như điều kiện ràng buộc o Để thực điều này, phương án kể đến sử dụng đa thức bậc − Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động Quỹ đạo với điểm chốt đa thức nội suy Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 39 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động o Các thuật toán nội suy (Interpolation) sử dụng hấy hết hệ thống máy CNC o Các điều khiển cấp PLC hay card điều khiển chuyển động tích hợp dạng chuyển động o Hai dạng chuyển động nội suy phổ biến là: Linear Circular Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động o Có hai phương pháp thực thi nội suy: Phương pháp nội suy xung chuẩn (Reference Pulses) • Đây phương pháp phổ biến nhất, điều khiển cần tính tốn gửi tín hiệu điều khiển xuống driver, • Việc điều khiển động (tốc độ, vị trí, moment) hồn tồn driver thực Phương pháp lấy mẫu data (Sample Data) Để sử dụng phương pháp này, driver cần thiết kế lại board mạch điều khiển Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 40 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động o Một số phương án di chuyển: Chuyển động theo trục đơn lẻ: • Chuyển động dọc theo phương X dọc theo phương Y • Chuyển động dọc theo phương Y dọc theo phương X Chuyển động phối hợp hai trục Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động o Một số điều cần ý: Các driver điều khiển theo phương pháp xung chuẩn, tức bước di chuyển động thực từ xung điều khiển Mỗi xung điều khiển nhận từ điều khiển chính, động di chuyển quãng đường BLU (Basic Length Unit) Tốc độ động thường khơng đổi Q trình tính tốn phải nhanh xung điều khiển có tần số lớn Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 41 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động o Phương pháp điều khiển xung chuẩn bao gồm ba phương pháp phổ biến sau: DDA – Digital Differential Analyze SA – Stair Approximation DS – Direct Step o Phương pháp DDA sử dụng phổ biến cho việc nội suy tuyến tính hai phương án SA DS sử dụng chủ yếu việc nội suy cung trịn Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử 42 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.1 DDA – Digital Differential Analyze Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.1 DDA – Digital Differential Analyze Bước 0 0 1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4 0 1 1 43 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.2 SA – Stair Approximation Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.2 SA – Stair Approximation Bước 0 -7 0 -6 -5 -3 -3 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 7 9 -7 -5 -5 -3 -3 -1 1 1 0 0 1 44 4/18/2023 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.3 DS – Direct Step Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.2 Nội suy chuyển động 4.2.3 DS – Direct Step Bước 0 -3 4 -3 -7 0 -7 -6 -7 -8 -3 -5 10 -6 -3 -6 -3 9 -5 -3 -1 1 1 1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 45