Đồ án môn học truyền động điện điều khiển động cơ servo ac

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN MƠN HỌC: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO AC  Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Lớp: 20DTDA1 Giảng viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Vạn Quốc Sinh viên thực hiện: Trần Anh Khoa Mã SV: 2011050077 Sinh viên thực hiện: Phan Xuân Huy Mã SV: 2011050632 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Hành Mã SV: 2011050778 Lớp: 20DTDA1 Tp.HCM, ngày … tháng … năm … VIỆN KỸ THUẬT HUTECH PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI TÊN MÔN HỌC : Đồ án Truyền Động Điện NGÀNH: kỹ thuật điều khiển từ động hố   (1) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài ( sĩ số nhóm: ) Trần Anh Khoa MSSV: 2011050077 Lớp: 20DTDA1 Phan Xuân Huy MSSV: 2011050632 Lớp: 20DTDA1 Nguyễn Tiến Hành MSSV: 2011050778 Lớp: 20DTDA1 - Tên đề tài : Điều khiển động servo AC Các liệu ban đầu : Nhóm lựa chọn kích thước mơ hình, mục tiêu điều khiển phù hợp ứng dụng (2) Nội dung nhiệm vụ : + Tìm hiểu tổng quan đề tài đặt đầu + Lựa chọn phương án thiết kế phù hợp + Thiết kế mơ hình + Thực nghiệm + Kết luận hướng phát triển (3) Kết tối thiểu phải có: 01 Báo cáo đề tài 01 Mơ hình  Ngày giao đề tài: 27 / 02 / 2023 Ngày nộp báo cáo: 21 / / 2023   TP HCM, ngày 21 tháng năm 2023 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên thành viên) Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên)   VIỆN KỸ THUẬT HUTECH PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN TÊN MÔN HỌC: Đồ án Truyền Động Điện NGÀNH: kỹ thuật điều khiển từ động hoá (Do giảng viên hướng dẫn ghi giao lại cho sinh viên đóng vào báo cáo) - Tên đề tài: Điều khiển động servo AC   Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Vạn Quốc Sinh viên/ nhóm sinh viên thực đề tài (sĩ số nhóm: 3 ) Trần Anh Khoa MSSV: 2011050077 Lớp: 20DTDA1 Phan Xuân Huy MSSV: 2011050632 Lớp: 20DTDA1 Nguyễn Tiến Hành MSSV: 2011050778 Lớp: 20DTDA1 Tuần Ngày Nội dung thực 20/02/2023   Giao đề tài 27/02/2023   Tìm hiểu tổng quan 4/03/2023 Lựa chọn phương án 11/03/2023 Tính tốn khí 18/03/2023 Thiết kế mơ hình 25/03/2023 Thiết kế mơ hình 2/04/2023 Thiết kế điều khiển 21/04/2023 Thiết kế điều khiển 28/04/2023 Kiểm tra mơ hình điều khiển Kết thực sinh viên (Giảng viên hướng dẫn ghi)       10 13/05/2023 11 21/05/2023 12 Thực nghiệm đánh giá kết Hoàn chỉnh báo cáo Đánh giá kết báo cáo: Hình thức, Nội dung báo cáo ; Sản phẩm thực hiện; Thái độ ; Kỹ năng; … Cách tính điểm: Điểm đánh giá q trình thực đồ án = 50% x Tính chủ động, tích cực, sáng tạo + %50 x Đáp ứng nội dung nhiệm vụ Tổng điểm kết thúc học phần = Điểm đánh giá trình thực đồ án x 40% + Điểm chấm báo cáo GVHD x 30% + Điểm chấm báo cáo GVPB x 30%  Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá trình thực đồ án; Điểm báo cáo bảo vệ đồ án mơn học; Điểm q trình ( Ghi theo thang điểm 10 ), giảng viên chuyển điểm vào bảng điểm Viện giao Tính chủ động, ch cực, sáng to Đáp ứng nội dung nhiệm vụ Tổng điểm êu chí đánh giá q trình thực đồ án (tổng cột điểm 1*50%+2*50%) Tiêu chí đánh giá q trình thực đồ án Họ tên sinh viên Mã số SV Trần Anh Khoa 2011050077 Phan Xuân Huy 2011050632 Nguyễn Tiến Hành 2011050778 Ghi chú: Điểm số có sai sót, GV gạch bỏ ghi lại điểm kế bên ký nháy vào phần điểm chỉnh sửa Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên thành viên)   TP HCM, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn  (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN  Nhóm em xin chân thành cảm ơn tri ân sâu sắc thầy (cô) Viện kỹ thuật “Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM” đặc biệt thầy “Nguyễn Vạn Quốc” tạo điều kiện cho nhóm em có nhiều thời gian để học hỏi hồn thành đồ án Và nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy “Nguyễn Vạn Quốc” nhiệt tình hướng dẫn nhóm em hồn thành tốt báo cáo Trong q trình làm, q trình báo cáo, khó tránh khỏi sai xót, mong thầy bỏ qua  Nhóm em xin chân thành cảm ơn Contents CHƯƠNG 1: CƠ Ở LY THUYET CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề  Ngày sống hàng ngày thường xuyên gặp mô hình động servo Như nhà máy xí nghiệp phương tiện lao động: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, canh tay robot Như nói động servo vai trò quan trọng sống lao động sản xuất Do phát triển ngày mạnh mẽ kỹ thuật điện tử nên thiet bị sử dụng servo có bước phát triển nhảy vọt Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử với thiết bị đại làm cho hệ thống dây truyền ngày hoạt động tốt khả tự động hoá cao 1.1.1 Lý Qua chúng em định chọn đề tài kít thực tập động servo nhằm giup người hiểu rõ ứng dụng cung nhu chức động servo đem lại Ngoài mục đích để chúng em hiếu rõ servo thuan tiện cho việc sử dụng làm việc với servo Đồng thời điều kiện để chúng em tìm hiểu học hỏi thêm kinh nghiệm 1.1.2 Tầm quan trọng Ở nước ta yêu cầu công nghiệp hoá, đại hoá đất nước nên ngày xuất nhiều dây truyền sản xuất có mức độ tự động hoá cao với hệ thống sử dụng đông servo tốc độ cao Việc xuất động servo góp phần thúc đẩy phát triển, nghiên cứu, đào tạo ngành tự động hoá nước ta tiếp thu khoa học kỹ thuật đại nhằm tăng khả sản xuất,tăng chất lượng,đồng thời tiết kiệm chi  phí cho việc thuê nhân cơng làm suất sản phẩm tăng lên Chính việc tạo hệ thống dây truyền có sử dụng servo tạo nên thuật tiện điều khiển chúng dể dàng việc làm vô xác thực 1.1.3 Ý nghĩa đề tài Đề tài giúp cho nhóm em nắm rõ kiến thức động servo, mang tính thực tế cao áp dụng nhiều sống Không xưởng , cơng trình xí nghiệp mà cịn đáp ứng tất nơi góp phần phổ biến phát triển mạnh mẽ 1.2 Mục tiêu đề tài Động servo thiết bị sử dụng phổ biến công nghiệp sản xuất ngày Thường ứng dụng dây chuyền sản xuất hay máy cắt CNC 1.3 Nội dung đề tài Xây dựng dựng hệ thống điều khiển vị trí tốc độ động servo cách xác Có thể ứng dụng vào dây chuyền chiết rót cơng nghiệp giúp tiết kiệm thời gian chi phí thuê công nhân 1.4 Phương Pháp Nghiên cứu - Nghiên cứu thành phần có hệ thống điều khiển động servo - Tìm hiểu đặc điểm, cấu tạo hệ thống - Tìm hiểu phân tích hệ thống điện - Tìm thêm thơng tin, xây dựng tối ưu hệ thống điều khiển động servo 1.5 Đặt đầu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu PLC 2.1.1 Khái niệm PLC (viết tắt Programmable Logic Controller) thiết bị cho phép lập trình thực thuật tốn điều khiển logic Bộ lập trình PLC nhận tác động kiện bên ngồi thơng qua ngõ vào (input) thực hoạt động thông qua ngõ (output) PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi  bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ tương ứng thay đổi  Ngơn ngữ lập trình PLC phổ biến Ladder, Step Ladder Tuy nhiên, hãng sản xuất có ngơn ngữ lập trình riêng 2.1.2 Phân loại cấu tạo - Phân loại:   Các hãng sản xuất PLC phổ biến gồm: Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT, Delta… - Cấu tạo: Hệ thống PLC có phận sau: + Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngồi sử dụng vùng nhớ – EPROM + Bộ xử lý trung tâm CPU + Module input/output Thông thường module I/O tích hợp PLC, có nhu cầu mở rộng I/O lắp module I/O   Hình Hệ thống PLC 2.1.3 Nguyên lý Bộ điều khiển trung tâm CPU thực điều khiển toàn hoạt động PLC Tốc độ xử lý CPU định đến tốc độ điều khiển PLC Chương trình lưu trữ RAM Pin dự phịng tích hợp PLC giúp chương trình khơng bị có cố điện CPU thực quét chương trình thực lệnh theo thứ tự 2.1.4 Ưu điểm nhược điểm - Ưu điểm: + Bộ điều khiển PLC chống nhiễu tốt, đáng tin cậy môi trường công nghiệp + Đáp ứng giải thuật phức tạp, độ xác cao + Gọn nhẹ, lắp đặt dễ dàng + Thay hoàn toàn mạch điều khiển relay thông thường, dễ dàng đáp ứng yêu cầu điều khiển + Hỗ trợ chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, tạo kết nối trao đổi liệu thiết bị nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp 4.0 - Nhược điểm: + Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao so với chi phí mạch relay thơng thường Tuy nhiên, thị trường VN có mặt nhiều hãng PLC Đức, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… dẫn đến giá thành cạnh tranh so với trước + Chi phí phần mềm lập trình: Chi phí mua licence phần mềm lập trình tùy thuộc vào hãng sản xuất Hiện có dạng: hãng sản xuất cho phép sử dụng miễn phí hãng sản xuất yêu cầu mua licence + Yêu cầu người sử dụng có kiến thức lập trình PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng tốt điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức lập trình PLC 2.2 PLC Mitsubishi 2.2.1 Giới thiệu - PLC Mitsubishi sản phẩm tập đoàn Mitsubishi Electric – Tập đồn cơng nghệ hàng đầu Nhật Bản PLC hãng Mitsubishi ứng dụng rộng rãi  bộ điều khiển hệ thống công nghiệp, từ đơn giản đến phức tạp - Các dòng PLC Mitsubishi thường gặp phải kể để PLC MITSUBISHI FX Series: FX0, FX1N, FX1S, FX2N, FX3U, FX3G, FX5U PLC MITSUBISHI A Series: Q02A, Q06A PLC MITSUBISHI dòng Q Series: Q00xCPU, Q01xCPU, Q02xCPU… PLC MITSUBISHI L Series: L02, L06, L26… PLC MITSUBISHI Motion: A171SH, A172SH, A173, A273 - Trong dòng PLC Mitsubishi dòng Q xem điều khiển lập trình mạnh Mitsubishi thời điểm 2.2.2 Tổng quan PLC Mitsubishi dòng Q PLC Q Series cải thiện đáng kể hiệu hệ thống, dây chuyền tự động Bộ điều khiển lập trình PLC Q Series cho phép xử lý liệu tốc độ cao, độ xác cao hơn, mạnh mẽ Ngồi ra, PLC Q Series Mitsubishi cịn có ưu điểm  bật khác như: + Bộ nhớ lớn, lưu trữ nhiều chương trình làm việc riêng + Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khắc khe công nghiệp + Dễ dàng thay đổi chế độ làm việc + Tiết kiệm thời gian cho công tác điều khiển + Kết nối với thiết bị thông minh khác dễ dàng + Đơn giản trình cài đặt lập trình - Các dịng PLC Mitsubishi Q Series (MELSEC-Q Series) biết đến như: Q26UDVCPU, Q13UDVCPU, Q06UDVCPU, Q04UDVCPU, Q03UDVCPU, Q100UDEHCPU, Q50UDEHCPU, Q26UDEHCPU, Q26UDHCPU, Q20UDEHCPU, Q20UDHCPU, Q13UDEHCPU, Q13UDHCPU, Q10UDEHCPU, Q10UDHCPU, Q06UDEHCPU, Q06UDHCPU, Q04UDEHCPU, Q04UDHCPU, Q03UDECPU, Q03UDCPU, Q02UCPU, Q01UCPU, Q00UCPU, Q00UJCPU 2.2.3 Đặc tính - Hỗ trợ mở rộng hệ thống với base mở rộng : Tổng số đơn vị sở mở rộng sử dụng - Với base mở rộng này, hệ thống quy mơ nhỏ đến quy mơ to cấu hình cách linh hoạt theo ứng dụng - Có thể kết nối tới module CPU 2.2.4 Cấu tạo Hình Cấu tạo PLC dịng Q 2.3 Động servo 2.3.1 Khái niệm - Động servo ( servo motor ) loại động truyền động quay tuyến tính cung cấp khả điều khiển vị trí nhanh chóng cho hệ thống điều khiển vịng kín - Động servo thiết bị điện độc lập, quay phận máy với hiệu suất cao có độ xác cao - Bộ điều khiển phận quan trọng Servo - Động điều khiển tín hiệu điện, tương tự kỹ thuật số, xác định lượng chuyển động đại diện cho vị trí lệnh cuối trục 2.3.2 Phân loại động servo   Động servo có loại : Động servo AC servo DC - AC servo motor : Động AC servo loại động xoay chạy điện  pha, hoạt động dựa nguyên lý nam châm vĩnh cửu  Nguyên lý:  Nguyên lý hoạt động động Servo AC dựa cấu tạo hai loại động AC Servo khác là: đồng không đồng Servo xoay chiều đồng bao gồm phận stato rôto Cấu tạo Stato gồm khung hình trụ lõi stato Bộ phận cung cấp dòng điện cho động cuộn dây phần ứng quấn quanh lõi stato cuộn dây nối với dây dẫn qua Khi trường stato kích thích với điện áp rơto chạy theo từ trường quay stato Và với tốc độ đồng với trường kích thích stato Với rơto nam châm vĩnh cửu khơng cần dịng điện rôto nên trường stato giảm dần dừng rơto mà dừng lại Hầu hết động cảm ứng có chứa phần tử quay, rơto lồng sóc Chỉ có cuộn dây stato cấp nguồn xoay chiều - DC servo motor : Khơng thiết kế cho dịng điện cao thường phù hợp cho ứng dụng có dịng điện nhỏ máy bơm nước, máy nén khí,… Động DC servo cịn chia làm loại động chiều có chổi than động chiều không chổi than  Nguyên lý:  Nguyên lý hoạt động Servo DC dựa cấu tạo bốn thành phần Đó động DC, thiết bị cảm biến vị trí, cụm bánh mạch điều khiển   Tốc độ động Servo DC dựa điện áp sử dụng   Để điều khiển tốc độ động cơ, thường sử dụng chiết áp để tạo điện áp tương ứng Trong số mạch xung điều khiển sử dụng để tạo điện áp tham chiếu DC tương ứng với vị trí tốc độ mong muốn động Và áp dụng cho chuyển đổi điện áp độ rộng xung Độ dài xung định đến điện áp đặt khuếch đại Điều để tạo điện áp tương đương với tốc độ vị trí mong muốn 2.3.3 Chọn động servo AC hay DC - Nhờ phát triển vượt bậc công nghệ điều khiển điện nên hầu hết người ta sử dụng động AC Servo Motor - Với động điện chiều tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp với tải không đổi - Đối với động xoay chiều, tốc độ xác định tần số điện áp đặt vào số cực từ - Động Servo AC chịu dòng điện cao so với DC Ngoài động AC sử dụng phổ biến ứng dụng Servo như: Trong dây chuyền sản xuất, ứng dụng cơng nghiệp khác địi hỏi số lần lặp lại nhiều độ xác cao 2.3.4 Động servo AC   Hình Cấu tạo động servo AC Trong động đồng rơto quay tốc độ với từ trường quay stato Trong động khơng đồng rơto quay với tốc độ chậm từ trường quay stato Tốc độ động khơng đồng hồn tồn thay đổi Bằng cách sử dụng số phương pháp điều khiển Ví dụ thay đổi số cực tần số 2.3.5 Sự khác động servo động bước: Động AC servo HF KP 13 Thông số kỹ thuật: - Model : HF-KP13 - Điện áp nguồn cấp: 200 VAC - Công suất: 100 W - Tốc độ quay: 300 – 600 Vòng/phút - Encoder: 18 bit, độ phân giải 262,144 xung/vòng - Momen xoắn: 0.32 Nm, Max 1.11 Nm - Servo Driver Mitsubishi tương thích: MR-J3-10A-RJ006, MR-J3-10A1-RJ006, MR-J3-10B-RJ006, MR-J3-10B1-RJ006, MR-J3-10T, MR-J3-10T1 - Cấp độ bảo vệ: IP65 - Ứng dụng: điều khiển vị trí, tốc độ, momen xoắn - Hãng sản xuất: Mitsubishi – Nhật Bản AC servo driver: Thông số kỹ thuật: Bộ điều khiển Servo MR-J3-10B - Nguồn cấp: 3-phase 200 ~ 230VAC 50/60Hz 1-phase 200 ~ 230VAC 50/60Hz - Dòng điện vào định mức: 0.9A - Tần số biến đổi cho phép: tối đa ±5% - Dòng điện đầu ra: 3-phase 170VAC - Công suất: 100W - Loại motor tương thích: HF-MP(053/13), HF-KP(053/13) - Dịng Servo Amplifier đa năng, chức điều khiển SSCNET III, vị trí - Phương pháp điều khiển chế xung PWM điều chỉnh dòng điện - Hãng sản xuất: Mitsubishi - Nhật Bản Kích thước: 2.4 Hệ thống điều khiển servo PLC 2.4.1 Tổng quan hệ thống Động servo thành phần quan trọng hệ thống điều khiển chuyển động Để hoạt động được, phải nối động servo với phần cứng, phần mềm hỗ trợ  điều khiển chuyển động   Hình Cấu trúc hệ thống Để hoạt động chuẩn xác, động servo phải kết hợp với: - Bộ điều khiển : PLC điều khiển chuyển động chuyên dụng chạy chương trình điều khiển để thực theo yêu cầu kỹ thuật ứng dụng - Bộ điều khiển động : Thiết bị điện tử có chức cung cấp đủ lượng cho động theo cách, thời điểm - Bộ mã hóa xung vịng quay : tạo phản hồi cho hoạt động động Hình Mơ hình tổng quan 2.4.2 Ứng dụng hệ thống điều khiển servo cơng nghiệp:   Hình Máy cắt CNC   Hình Băng chuyền sản xuất 2.4.2 Trục vitme Vitme bao gồm vít me, đai ốc bi Chức chuyển đổi chuyển động quay vitme thành chuyển động tịnh tiến đai ốc nhờ biến đổi chuyển động lăn viên bi thân đai ốc bi, hay nói cách khác chuyển đổi mô-men xoắn thành lực đảo chiều dọc trục Do hệ số ma sát nhỏ nó, vitme sử dụng rộng rãi thiết bị công nghiệp dụng cụ xác  Nguyên lý hoạt động : Khí trục vít me đai ốc quay, viên bi bị đổi hướng ống lệch hướng vào ống hồi bi, viên bi di chuyển liên tục sáng phía cuối đai ốc khỏi ống hồi bi vào rãnh đai ốc vít me Q trình lặp lại liên tục đảm bảo hoạt động trơn tru xác vít me CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ 3.1 Lựa chọn phương án điều khiển: - Dùng PLC phát xung tốc độ cao để điều khiển vị trí servo : Đây phương pháp  phổ thông sử dụng rộng dãi đa số máy móc Phương  pháp thường thích hợp với việc điều khiển độc lập servo với số lượng q trình điều khiển khơng cần nội suy tuyến tính nội suy 2-3 trục - Điều khiển qua mạng truyền thông (CANopen, EtherCAT ) : Đây phương  pháp điều khiển áp dụng máy móc cần điều khiển số lượng servo nhiều Áp dụng cho máy móc điều khiển phức tạp, cần q trình nội suy tuyến tính nhiều servo lúc Phương pháp giúp điều khiển linh hoạt, với độ xác cao cho máy móc yêu cầu cao tốc độ chất lượng sản phẩm  Từ phương án nhóm định chọn dùng PLC để điều khiển vị trí servo 3.2   Sơ đồ khối