điều khiển vị trí sử dụng hệ truyền động động cơ servo và plc mitsubishi

- Kết nối I/O kiểu sink hoặc kiểu source.- Để kết nối dây nguồn động cơ servo, hãy tham khảo "Hướng dẫn sử dụng động cơservo HG-KN/HG-SN".- Đảm bảo sử dụng công tắc tơ từ tính với thời g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Khắc Thìn Hệ đào tạo: Chính quy

Lớp: 60TĐH1 Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóaKhoa: Điện- Điện tử

1 TÊN ĐỀ TÀI

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ

SERVO VÀ PLC MITSUBISHI

2 CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN

- MR-JE-_A SERVO AMPLIFIER INSTRUCTION MANUAL

- Satellite Training Series PART 4 Your First AC Servo vn

- MELSEC iQ-F FX5 User's Manual (Positioning Control - CPU module built-in,High-speed pulse input/output module)

- https://www.mitsubishielectric.com/fa/products/cnt/plcf/pmerit/concept/index.html

3 NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

Chương 1: Tổng quan về PLC và điều khiển truyền động điện

Chương 2: Giới thiệu về hệ truyền động

Chương 3: Thiết kế chương trình

Chương 4: Thực nghiệm

4 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần Giáo viên hướng dẫn

Toàn phần (Ký và ghi rõ họ tên)

5 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP/ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Ngày tháng năm 202

Trưởng Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp Đồ án tốt nghiệp/ Luận văn tót nghiệp cho Hội đồng tốt nghiệp ngày tháng năm 202

Sinh viên làm Đồ án tốt nghiệp/LVTN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp/ Luận văn tốt nghiệp đã được Hội đồng tốt nghiệp của Khoa thông qua ngày tháng năm

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là Đồ án tốt nghiệp của bản thân tác giả Các kết quả trong

Đồ án tốt nghiệp này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào vàdưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thựchiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả ĐATN

Chữ ký

Nguyễn Khắc Thìn

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể Thầy Cô trong bộ môn Kỹ thuật điềukhiển và tự động hóa đã tạo điều kiện cho em được học tập, nghiên cứu, trau dồi và bổsung thêm nhiều kiến thức mới Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS.Phạm Đức Đại đã giúp đỡ, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện học phần tốtnghiệp vừa qua

Đồng thời em xin cảm ơn các Thầy Cô giáo, Ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử,cùng toàn thể các Thầy Cô, Ban giám hiệu, Đảng ủy Trường Đại học Thủy Lợi đã tạođiều kiện học tập tốt nhất cho em trong suốt 4 năm học vừa qua

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và các bạn cùng lớp đã quan tâm,động viên giúp đỡ em về tinh thần và vật chất trong quá trình học tập và thực hiện đềtài

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4

1.1 Tổng quan về PLC 4

1.1.1 PLC là gì 4

1.1.2 Vai trò của PLC 5

1.1.3 Cấu trúc PLC 6

1.2 Điều khiển truyền động điện 7

1.2.1 Khái niệm 7

1.2.2 Cấu trúc chung 8

1.2.3 Phân loại hệ truyền động điện 8

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 9

2.1 Giới thiệu chung về AC Servo 9

2.1.1 Khái quát về AC Servo 9

2.1.2 Nguyên lý hoạt động và cấu hình của AC Servo 12

2.1.3 Lợi ích khi sử dụng AC Servo 16

2.1.4 Chi tiết về điều khiển AC Servo 17

2.2 Giới thiệu về Melservo-JE 25

2.2.1 Đặc điểm chung 25

2.2.2 Cấu tạo MR-JE 26

2.2.3 Hình dạng bên ngoài và giao diện 27

2.2.4 Sơ đồ ghép nối 28

2.3 Giới thiệu về Servo Motor 33

2.3.1 Đặc điểm chung 33

2.3.2 Loại động cơ AC Servo 33

2.3.3 Cấu trúc động cơ AC Servo 34

2.3.4 Nguyên lý hoạt động 34

2.4 Nghiên cứu, tìm hiểu PLC dòng iQ-F Mitsubishi 35

2.4.1 Giới thiệu chung 35

2.4.2 Các đặc điểm plc dòng iQ-F 36

2.4.3 Tìm hiểu phần mềm lập trình GX-Work 3 41

2.4.3.2 Thao tác sử dụng 43

2.5 Tổng hợp các thiết bị được sử dụng 52

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 57

3.1 Cài đặt thông số cho động cơ Servo 57

3.2 Cấu hình trên phần mềm GX Work 3 57

3.3 Sơ đồ đấu nối 58

3.4 Lập trình điều khiển cho PLC 60

3.4.1 Chương trình 60

3.4.2 HMI 71

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 73

4.1 Chế độ Manual 73

4.2 Chế độ Auto 75

KẾT LUẬN 79

DANH MỤC THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các hãng PLC 5

Hình 1.2 PLC FX3U và FX5U 5

Hình 1.3 PLC FX5U-32MT/ES 6

Hình 1.4 Cấu trúc PLC 6

Hình 1.5 Cấu trúc chung hệ truyền động 8

Hình 2.1 Điều khiển vị trí 10

Hình 2.2 Điều khiển tốc độ 11

Hình 2.3 Điều khiển mômen 12

Hình 2.4 Cấu hình thiết bị 13

Hình 2.5 Khóa Servo 16

Hình 2.6 Tạo dự án trên MR Configurator2 17

Hình 2.7 Đặt tên và lưu dự án 18

Hình 2.8 Màn hình MR Configurator2 19

Hình 2.9 Mở MR Configuratior2 20

Hình 2.10 Tạo project mới 20

Hình 2.11 Chọn Driver 21

Hình 2.12 Mở danh sách thông số cài đặt 21

Hình 2.13 Chế độ điều khiển vị trí 22

Hình 2.14 Chọn chiều quay của AC Servo 22

Hình 2.15 Chọn chế độ giảm tốc 22

Hình 2.16 Chọn chế độ Servo ON 23

Hình 2.17 Ghi dữ liệu vào bộ khuyếch đại 24

Hình 2.18 Ghi dữ liệu vào bộ khuyếch đại 24

Hình 2.19 Kết thúc ghi dữ liệu vào bộ khuyếch đại 24

Hình 2.20 Model Servo MR-JE 25

Hình 2.21 Cấu tạo và bộ phân MR-JE 26

Hình 2.22 Kết nối MR-JE với thiết bị ngoại vi 27

Hình 2.23 Nguồn đầu vào MR-JE 28

Hình 2.24 Chế độ điều khiển vị trí 30

Hình 2.25 Chế độ điều khiển tốc độ 31

Hình 2.26 Chế đô điều khiển mômen 32

Hình 2.27 Cấu tạo Servo Motor 34

Hình 2.28 Các dòng MELSEC iQ-F Series 35

Hình 2.29 FX5U, FX5UC, FX5UJ 37

Hình 2.30 Giao diện GX Works 3 42

Hình 2.31 Mở phần mềm GX Works3 43

Hình 2.32 Chọn loại PLC, ngôn ngữ lập trình 44

Hình 2.33 Giao diện GX Work3 45

Hình 2.34 Kết nối PC với PLC 45

Hình 2.35 Chọn cách kết nối giữa PC và PLC 46

Hình 2.36 Kiểm tra PC đã kết nối card mạng chưa 46

Hình 2.37 Kiểm tra kết nối 47

Hình 2.38 Thông báo kết nối thành công 47

Hình 2.39 Các tiếp điểm, cuộn hút và bus để lập trình 48

Hình 2.40 Ví dụ chương trình 48

Hình 2.41 Biên dịch chương trình 49

Hình 2.42 Biên dịch chương trình 49

Hình 2.43 Kiểm tra lỗi chương trình 50

Hình 2.44 Nạp chương trình vào PLC 50

Hình 2.45 Nạp chương trình vào PLC 51

Hình 2.46 Nạp chương trình vào PLC 51

Hình 3.1 Thông số được cài đặt cho động cơ Servo 57

Hình 3.2 Thông số được cài đặt trên GX Works 3 57

Hình 3.3 Sơ đồ đấu nối nguồn của MR-JE-40A 58

Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối MR-JE-40A với HG-KN43J 58

Hình 3.5 Sơ đồ đấu nối PLC, cảm biến và HMI 59

Hình 3.6 Chương trình điều khiển vị trí 70

Hình 3.8 Chế độ Auto 71

Hình 3.9 Cảnh báo giới hạn trái 72

Hình 3.10 Cảnh báo giới hạn phải 72

Hình 3.11 Cài đặt tọa độ cho điểm 1 73

Hình 3.13 Cài đặt tọa độ cho chế độ Manual điểm 2 74

Hình 3.14 Kết quả cho điểm 2 74

Hình 3.15 Cài đặt tọa độ cho điểm 1 75

Hình 3.16 Kết quả cho điểm 1 75

Hình 3.17 Cài đặt tọa độ cho điểm 2 76

Hình 3.18 Kết quả cho điểm 2 76

Hình 3.19 Cài đặt tọa độ cho điểm 3 77

Hình 3.20 Kết quả cho điểm 3 77

Hình 3.21 Cài đặt tọa độ cho điểm 4 78

Hình 3.22 Kết quả cho điểm 4 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh AC Servo và biến tần 14

Bảng 2.2 Cấu hình máy móc 17

Bảng 2.3 Các phần của giao diện MR Configurator2 19

Bảng 2.4 Bảng chức năng tích hợp nâng cao 38

Bảng 2.5 Công dụng các thanh trên GX Works 3 42

Bảng 2.6 Bảng thiết bị được sử dụng 52

Bảng 3.1 Đấu nối PLC với MR-JE-40A 60

- Kết nối I/O kiểu sink (hoặc kiểu source).

- Để kết nối dây nguồn động cơ servo, hãy tham khảo "Hướng dẫn sử dụng động cơservo HG-KN/HG-SN"

- Đảm bảo sử dụng công tắc tơ từ tính với thời gian trễ hoạt động từ 80ms trở xuống.Thời gian trễ hoạt động là khoảng thời gian giữa dòng điện được áp dụng cho cuộndây cho đến khi đóng các tiếp điểm

- Định cấu hình mạch để tắt nguồn cấp điện mạch chính đồng thời với việc tắt dừngkhẩn cấp (EMG) bằng cách sử dụng trình tự bên ngoài

- Kết nối sai trục mô tơ servo với U, V, W hoặc CN2 của bộ khuếch đại servo có thểgây ra sự cố

- Hình minh họa về nguồn điện 24 V DC được phân chia giữa tín hiệu đầu vào và tínhiệu đầu ra để thuận tiện

29

2.4.4.2 Kết nối tín hiệu I/O

- Chế độ điều khiển vị trí:

Hình 2.24 Chế độ điều khiển vị trí

Chú ý:

+ Kết nối kiểu sink (hoặc kiểu source)

+ Để tránh khởi động lại bất ngờ bộ khuếch đại servo, hãy tạo một mạch để tắt EM2(Dừng cưỡng bức 2) khi tắt nguồn

30

+ Chọn số lượng điểm đầu vào/đầu ra của bộ điều khiển khả trình theo hệ thống củabạn.

+ Nên kết nối từ 2m trở xuống vì hệ thống thu gom hở được sử dụng

+ Kết nối kiểu sink (hoặc kiểu source).

+ Để tránh khởi động lại bất ngờ bộ khuếch đại servo, hãy tạo một mạch để tắt EM2(Dừng cưỡng bức 2) khi tắt nguồn

+ Các chức năng giao tiếp USB và RS-422/RS-485 loại trừ lẫn nhau Không sử dụngchúng cùng một lúc

- Chế độ điều khiển momen:

Hình 2.26 Chế đô điều khiển mômen

32

Chú ý:

+ Kết nối kiểu sink (hoặc kiểu source)

+ Để tránh khởi động lại bất ngờ bộ khuếch đại servo, hãy tạo một mạch để tắt EM2(Dừng cưỡng bức 2) khi tắt nguồn

+ Các chức năng giao tiếp USB và RS-422/RS-485 loại trừ lẫn nhau Không sử dụngchúng cùng một lúc

2.3 Giới thiệu về Servo Motor

2.3.1 Đặc điểm chung

Động cơ servo là một thành phần trong hệ thống servo Động cơ servo nhận tín hiệu từ

bộ điều khiển và cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vậnhành với tốc độ và độ chính xác cực kỳ cao Động cơ servo được chia thành 2 loại:động cơ servo AC, động cơ servo DC AC servo có thể xử lý các dòng điện cao hơn và

có xu hướng được sử dụng trong máy móc công nghiệp DC servo không được thiết kếcho các dòng điện cao và thường phù hợp hơn cho các ứng dụng nhỏ hơn

2.3.2 Loại động cơ AC Servo

Có thể chia động cơ servo thành ba loại như sau:

- Động cơ servo xoay

- Động cơ servo tuyến tính

- Động cơ dẫn động trực tiếp

33

2.3.3 Cấu trúc động cơ AC Servo

Hình 2.27 Cấu tạo Servo Motor

Động cơ servo chủ yếu được cấu tạo bởi ba bộ phận: stato, rôto và bộ mã hóa

- Stato: Đóng vai trò là bệ Sợi dây được quấn quanh lõi để cung cấp lực cần thiết đểxoay rôto

- Rôto: Đây là trục quay Rôto sử dụng nam châm vĩnh cửu Rôto được kết nối với bộ

mã hóa

- Bộ mã hóa (bộ dò): Bộ mã hóa được sử dụng để đọc vị trí động cơ và các giá trịkhác Đây là bộ cảm biến dò và chuyển các góc xoay thành tín hiệu điện và sau đóxuất các tín hiệu đó

Bộ điều khiển (Servo drive) có nhiê ¦m vụ nhâ ¦n tín hiê ¦u lê ¦nh điều khiển (xung/analog)

từ PLC và truyền lê ¦nh đến đô ¦ng cơ servo để điều khiển đô ¦ng cơ servo hoạt đô ¦ng theo

lê ¦nh, đồng thời nhâ ¦n tín hiê ¦u phản hồi liên tục về vị trí và tốc đô ¦ hiê ¦n tại của đô ¦ng cơservo từ encoder

2.3.4 Nguyên lý hoạt động

Về nguyên tắc, động cơ servo là một thiết bị độc lập Tuy nhiên động cơ servo chỉ có ýnghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống servo Chế độ hoạt động servo được hìnhthành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín Động cơ servo nhận một tín hiệu xungđiện (PWM) từ bộ điều khiển để hoạt động và được kiểm soát bằng bộ mã hóa

34

(encoder) Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điềukhiển này thông qua bộ mã hóa (encoder) Khi đó bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyểnđộng và làm sai lệch tốc độ cũng như vị trí mong muốn, cơ cấu hồi tiếp sẽ phản hồi tínhiệu về bộ điều khiển Từ tín hiê ¦u phản hồi về, bô ¦ điều khiển servo sẽ so sánh với tínhiê ¦u lê ¦nh và đưa ra điều chỉnh phù hợp, đảm bảo đô ¦ng cơ servo hoạt đô ¦ng đúng theoyêu cầu đạt được tốc độ và vị trí chính xác nhất.

2.4 Nghiên cứu, tìm hiểu PLC dòng iQ-F Mitsubishi

2.4.1 Giới thiệu chung

MELSEC iQ-F Series là phiên bản nâng cấp của các dòng MELSEC-F Series Đượcthiết kế lấy người dùng làm trung tâm, tính năng điều khiển vượt trội, điều khiển định

vị tốt hơn, MELSEC iQ-F của Mitsubishi (FX-5U) đã được thiết kế phát triển dựa trênSeries MELSEC-F Module CPU PLC Mitsubishi dòng MELSEC iQ-F có rất nhiềuchức năng tích hợp sẵn như chức năng định vị với 8 kênh xung đầu vào tốc độ cao,ngõ ra xung tốc độ cao 4 trục; ngõ vào ra analog gắn sẵn; cổng RS485, cổng Ethernet,khe cắm thẻ SD, Bộ nhớ chương trình: 64000 bước…vv Ngoài ra, dòng MELSEC iQ-

F có thể giữ nguyên chương trình mà không cần dùng pin Dữ liệu xung đồng hồ cóthể lưu đến 10 ngày nhờ siêu tụ điện Các dòng PLC Mitsubishi iQ-F Series (MELSECiQ-F Series) được biết đến: FX5U, FX5UC, FX5UJ

Hình 2.28 Các dòng MELSEC iQ-F Series

35

- Đạt được khả năng truy xuất không bị mất dữ liệu với giao tiếp tốc độ cao CC-Link

IE Field 1 Gbps (hiệu suất làm mới liên kết 40 × mức thông thường *1)

- Kết nối liền mạch với từng thiết bị sử dụng SLMP *2

1*: So sánh với FX3U

2*: SLMP: Giao thức tin nhắn liền mạch

* Môi trường kỹ thuật

- Môi trường lập trình trực quan của GX Works3 giúp giảm chi phí phát triển

- Bản vẽ cấu hình mô-đun có thể được tạo thông qua đọc trực tiếp từ phần cứng thựctế

- Chia sẻ các tham số trên nhiều phần mềm kỹ thuật thông qua MELSOFT Navigator

36

Hình 2.29 FX5U, FX5UC, FX5UJ

37

2.4.2.2 Chức năng tích hợp nâng cao

Bảng 2.4 Bảng chức năng tích hợp nâng cao

Ngoài ra, CPU hiện hỗ trợ thực thi các chươngtrình có cấu trúc và nhiều chương trình, ngôn ngữ ST,

FB, v.v

1*：Được hỗ trợ bởi FX5U/FX5UC Ver 1.100trở lên và số sê-ri 17X**** (số sê-ri 178****dành choFX5UC-32MT/DS-TS và FX5UC-32MT/DSS-TS) trởlên

Cổng Ethernet tích hợp Cổng giao tiếp Ethernet có thể xử lý giao tiếp tối

đa 8 kết nối trên mạng và có thể hỗ trợ nhiều kết nối với máy tính cá nhân và thiết bị khác Ngoài ra, cổng giao tiếp Ethernet có thể xử lý giao tiếp SLMP liền mạch với thiết bị cấp cao hơn

38

MODBUS cũng được hỗ trợ và có thể kết nối tối đa

32 thiết bị MODBUS như PLC, cảm biến và bộ điều khiển nhiệt độ

39

Với thiết lập tham số, không cần lập trình.

Chuyển đổi giá trị, mở rộng quy mô và đầu ra cảnhbáo cũng có thể được thiết lập dễ dàng với các thamsố

Lưu ý: Chỉ có Đầu vào/Đầu ra Analog tích hợp trongFX5U

Đầu nối USB (Mini-B)

tích hợp FX5UJ

Một giao diện khác để lập trình, ngoài cổng Ethernet.Đầu nối USB (Mini-B) được trang bị tiêu chuẩn giúpkết nối với GX Works3 dễ dàng hơn

Bảo vệ

MELSEC iQ-F có các chức năng bảo mật nâng cao(mật khẩu tệp, mật khẩu từ xa, khóa bảo mật) để ngănchặn hành vi trộm cắp dữ liệu và hoạt động bất hợppháp của những người không được ủy quyền

Giao tiếp Bus hệ thống

tốc độ cao

Giao tiếp bus hệ thống tốc độ cao ở tốc độ 1,5 Ktừ/ms (nhanh hơn khoảng 150 lần so với FX3U), cùngvới CPU tốc độ cao, cho phép MELSEC iQ-F đạt hiệusuất tối đa ngay cả khi sử dụng các mô-đun chức năngthông minh giao tiếp dữ liệu nặng

40

Công tắc

START/STOP/RESET

Công tắc RUN/STOP/RESET được tích hợp sẵn

Có thể khởi động lại PLC mà không cần tắt nguồnchính để gỡ lỗi hiệu quả

Không dùng pin

và không cần bảo trì

Sê-ri MELSEC iQ-F chứa các chương trình và thiết bịtrong bộ nhớ cố định như flash ROM và không yêucầu pin

Có thể tăng dung lượng của các thiết bị được giữbằng cách sử dụng pin tùy chọn

2.4.3 Tìm hiểu phần mềm lập trình GX-Work 3

2.4.3.1 Giới thiệu chung

GX Works3 là phần mềm lập trình PLC mới nhất của Mitsubishi dành cho 2 dòng PLCmới của hãng là FX5U (iQ-F) và iQ-R GX Works3 có rất nhiều tính năng ngoài thiếtlập tham số cho từng module của PLC, lập trình bằng nhiều ngôn ngữ (LAD, FBD,SFC, ST), như là chuẩn đoán lỗi của từng module trong PLC, theo dõi chương trìnhtrực tiếp khi PLC hoạt động, theo dõi các dữ liệu trong các vùng nhớ dữ liệu khácvùng nhớ chương trình, chuẩn đoán tình trạng của hệ thống mạng CC-Link, bổ sungcác bản cập nhật firmware cho các module, vv… Màn hình dưới đây đưa ra cấu hìnhcủa màn hình chính nơi cửa sổ làm việc và các cửa sổ đi kèm được hiển thị

Hình 2.30 Giao diện GX Works 3 Bảng 2.5 Công dụng các thanh trên GX Works 3

41