BÁO CÁO THỰC HÀNH Môn Hệ thống điều khiển Servo Điều khiển vị trí của động cơ servo

Giới thiệu - Động cơ Servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộ phận cụ thể là mạch điều khiển, động cơ Servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

***********

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Môn: Hệ thống điều khiển Servo

Điều khiển vị trí của động cơ servo

Sinh viên thực hiện: Phạm Khắc Hoà

Mã sinh viên: 211603083

Lớp: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa 3-K62 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Lương Miên

Hà Nội

Chương I: Tổng quan về động cơ Servo

1 Giới thiệu

- Động cơ Servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộ phận

cụ thể là mạch điều khiển, động cơ Servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động,

bộ khuếch đại và bộ mã hóa (encoder) hoặc bộ phân giải.Động cơ Servo là một thiết bị điện độc lập, được sử dụng để quay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao Hiểu đơn giản thì động cơ Servo như một động cơ thông thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí

- Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ Servo được thiết kế và

sử dụng chuyên biệt cho mục đích này Trục đầu ra của động cơ này có thể được

di chuyển đến một góc, một vị trí với một vận tốc chỉ định trước mà động cơ thông thường không có

- Động cơ Servo là một cơ chế vòng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc

độ và vị trí quay hoặc tuyến tính Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, analog hoặc digital, xác định chuyển động theo vị trí lệnh cuối cùng của trục

- Encoder đóng vai trò như một cảm biến cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí Mạch này được xây dựng ngay bên trong vỏ động cơ thường được lắp với hệ thống bánh răng

2.Phân loại động cơ Servo

Hình ảnh minh họa 1 số loại động cơ AC Servo và Drive

Động cơ Servo được phân thành các loại khác nhau dựa trên ứng dụng củachúng, chẳng hạn như động cơ Servo AC và động cơ Servo DC.

Động cơ Servo AC hay DC

Xét theo hiệu suất, sự khác biệt cơ bản giữa động cơ AC và DC là ở khả năngkiểm soát tốc độ

Với động cơ điện một chiều, tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp với tảikhông đổi

Và trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp đặtvào và số cực từ

Động cơ Servo AC sẽ chịu được dòng điện cao hơn và được sử dụng phổ biếnhơn trong các ứng dụng Servo như: với rô bốt, trong dây chuyền sản xuất và cácứng dụng công nghiệp khác đòi hỏi số lần lặp lại cao và độ chính xác cao

Phân loại động cơ servo

 ĐỘNG CƠ SERVO DC

Loại động cơ này được thiết kế để ứng dụng vào những hệ thống sử dụng dòngđiện nhỏ hơn.

Động cơ có chổi than thường ít tốn kém hơn và vận hành đơn giản hơn, trongkhi thiết kế không chổi than đáng tin cậy hơn, hiệu suất cao hơn và ít ồn hơn

Cổ góp là một công tắc điện quay theo chu kỳ đảo chiều dòng điện giữa rôto vàmạch truyền động Nó bao gồm một hình trụ kim loại được cấu tạo bởi nhiềuđoạn tiếp xúc trên rôto Hai hoặc nhiều tiếp điểm điện được gọi là “chổi than”được làm bằng vật liệu dẫn điện mềm như carbon ép vào cổ góp, tạo ra một tiếpđiểm trượt với các đoạn của cổ góp khi nó quay

Trong khi phần lớn động cơ được sử dụng trong Servo là động cơ AC thiết kếkhông chổi than; động cơ nam châm vĩnh cửu có chổi than đôi khi được sử dụnglàm động cơ Servo vì tính đơn giản và chi phí thấp

Loại động cơ DC có chổi than phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụngServo là động cơ DC nam châm vĩnh cửu

Động cơ DC không chổi than thay thế chổi than vật lý và cổ góp bằng một linhkiện điện tử để đạt được sự chuyển mạch, thường thông qua việc sử dụng cảmbiến Hall hoặc encoder

Động cơ xoay chiều thường không có chổi than, ngoài ra có một số thiết kế –chẳng hạn như động cơ phổ thông, có thể chạy bằng nguồn AC hoặc DC, cóchổi than và có thể chuyển mạch cơ học

ĐỘNG CƠ SERVO AC

Động cơ Servo AC được xem giống với động cơ bước vì có nhiều nét tươngđồng với động cơ bước Stato là cuộn dây quấn riêng biệt và roto là nam châmvĩnh cửu

Động cơ AC Servo không đồng bộ cấu tạo gồm: cuộn cảm chính, dây dẫn thứcấp, vòng đoản mạch, bộ mã hóa ( encoder).

+ Động cơ AC Servo đồng bộ cấu tạo đơn giản hơn gồm: bộ mã hóa ( encoder),cuộn cảm chính, và một nam châm vĩnh cửu

+ trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp nguồn

Có ba lưu ý chính để lựa chọn động cơ Servo

+ Dựa trên dòng điện/điện áp sử dụng của chúng là AC hoặc DC,

+ Loại động cơ có sử dụng chổi than hay không

+ Trường quay động cơ, roto, chuyển động quay là đồng bộ hay không đồng bộ

2 Nguyên tắc điều khiển động cơ servo

Nguyên lý hoạt động của Servo Motor

Hình ảnh cấu tạo của động cơ và sơ đồ bộ điều khiển vòng kín của động cơ

Servo

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo DC

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo DC dựa trên cấu tạo của bốn thànhphần chính: động cơ DC, thiết bị cảm biến vị trí, cụm bánh răng và mạch điềukhiển

Để điều khiển tốc độ động cơ, thường sử dụng một chiết áp để tạo ra một điện

áp tương ứng như một trong những đầu vào cho bộ khuếch đại điện áp

Trong một số mạch, xung điều khiển được sử dụng để tạo ra điện áp tham chiếu

DC tương ứng với vị trí hoặc tốc độ mong muốn của động cơ và nó được ápdụng cho bộ chuyển đổi điện áp độ rộng xung

Độ dài của xung quyết định điện áp đặt tại bộ khuếch đại nhằm tạo ra một điện

áp phù hợp tương đương với tốc độ hoặc vị trí mong muốn

Đối với điều khiển kỹ thuật số, PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động (vị trí)khác được sử dụng để tạo xung theo chu kỳ nhiệm vụ nhằm xây dựng nên cácquy trình điều khiển chính xác hơn

Cảm biến tín hiệu phản hồi thông thường là một chiết áp nhằm tạo ra điện áptương ứng với góc tuyệt đối của trục động cơ thông qua cơ cấu bánh răng Sau

đó, giá trị điện áp phản hồi được sử dụng ở đầu vào của bộ khuếch đại để sosánh

Bộ khuếch đại so sánh điện áp được tạo ra từ vị trí hiện tại của động cơ do phảnhồi của chiết áp và vị trí mong muốn của động cơ tạo ra sai số của điện ápdương hoặc âm.

Điện áp này được áp dụng cho phần ứng của động cơ Khi sai số tăng lên, điện

áp đầu ra được áp dụng cho phần ứng động cơ Miễn là có điện áp đầu vào, bộkhuếch đại so sánh sẽ khuếch đại điện áp đầu vào và cấp nguồn tương ứng chophần ứng

Động cơ quay cho đến khi điện áp bằng không Nếu sai số âm, điện áp phần ứngđảo chiều và do đó phần ứng quay theo hướng ngược lại

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo AC

Nguyên lý làm việc của động cơ Servo AC dựa trên cấu tạo của hai loại động cơ

AC Servo khác nhau: đồng bộ và không đồng bộ (cảm ứng)

Động cơ Servo xoay chiều đồng bộ bao gồm stato và rôto Stato bao gồm khunghình trụ và lõi stato

Cuộn dây phần ứng quấn quanh lõi stato và cuộn dây được nối với dây dẫn qua

đó cung cấp dòng điện cho động cơ

Rôto bao gồm một nam châm vĩnh cửu và khác với rôto kiểu cảm ứng khôngđồng bộ ở chỗ dòng điện trong rôto được tạo ra bởi điện từ và do đó những loạinày được gọi là động cơ Servo không chổi than

Chương II : Phần mềm lập trình GX Work3 và cấu hình phần cứng cho PLC iQ-R.

1 Khởi tạo dự án mới với PLC iQ-R bằng phần mềm GX Works3.

Bước 1: Nhấp vào biểu tượng

trên thanh công cụ hoặc chọn [Project] => [New] từ Menu (Ctrl + N)

Bước 2 : Nhấp vào nút danh

sách của “Series”

Bước 3 :Chọn “RCPU” từ

menu thả xuống

Bước 4: Trong danh sách

Bước 1: Trong mục “Navigation”, nhấp đôi vào

“Module Configuration” Nếu có hộp thoại xuất hiện thì nhấn vào [OK]

Bước 2: Khi cửa sổ “Module Configuration” mở, từ cửa sổ “Element Selec

tion” chọn “R312B” trong “Main Base” Kéo và thả vào cửa sổ “Module

Configuration”

Bước 3: Thêm module nguồn bằng cách kéo vào thả “R62P” từ “Power Supply”

trong cửa sổ “Element Selection”

Bước 4: Kéo và thả module R04ENCPU vào slot “CPU” trên đế.

Bước 5: Trong cửa sổ “Element Selection”, chọn “RJ71EN71(CCIEC)” trong

mục “Network Module”, kéo và thả vào slot số 0 trên Base

Bước 6: Trong cửa sổ “Element Selection”, chọn “RX42C4” trong mục “Input”,

kéo và thả vào slot số 1 trên Base

Bước 7: Trong cửa sổ “Element Selection”, chọn “RY42NT2P” trong mục

“Output”, kéo và thả vào slot số 2 trên Base

Bước8: Trong cửa sổ “Element Selection”, chọn “R60AD4” trong mục “Analog

Input”, kéo và thả vào slot số 3 trên Base

Bước 9: Trong cửa sổ “Element Selection”, chọn “R60DA4” trong mục

“Analog Output”, kéo và thả vào slot số 4 trên Base

Các module sau khi thêm vào Base:

Bước 10: Để kiểm tra nguồn tiêu thụ của các module được khai báo có phù hợp

với khối nguồn, ta kiểm tra bằng cách kích chuột phải trên base, chọn “Check\Power Supply Capacity and I/O Points”

Nếu phù hợp, cửa sổ thông báo hiện ra, ta chọn [OK] để tiếp tục

Bước 11: Để hoàn tất việc khai báo, cần xác nhận phần cứng đã khai báo xong

Nhấp chuột phải vào Base, chọn “Parameter” ⇒ “Fix(S)” Cửa sổ thông báo hiện ra, ta chọn “Yes”

Lúc này các thông báo hiện ra để ta xác nhận việc thêm các module như đã khai báo Chọn [OK] để xác nhận.

3 Cấu hình đường truyền kết nối máy tính với PLC iQ-R

a, Dùng cổng USB.

Trước tiên, ta cắm cáp kết nối vào máy tính và PLC như hình:

Sau đó vào Tab “Connection Destination”, chọn “Connection” để mở cửa sổ khai báo kết nối

Trong mục “PC side I/F”, chọn “Serial USB”, và chọn chuẩn truyền thông

“USB” Sau đó tích vào [OK] để xác nhận

Trong mục “PLC side I/F”, chọn “PLC Module” Trong mục “Other Station Setting”, chọn “No Specification” Sau đó tích vào [Connection Test] để kiểm tra kết nối Cửa sổ thông báo hiện ra báo kết nối thành công, ta chọn [OK] để xác nhận.

b, Dùng cổng Ethernet

Sau đó vào Tab “Connection Destination”, chọn “Connection” để mở cửa sổ khai báo kết nối

Trong mục “PC side I/F”, chọn “Ethernet Board”, và kích đôi để cấu hình chuẩntruyền thông.

Cửa sổ thông báo hiện ra, trong mục “Adapter”, ta chọn card truyền thông Ethernet tích hợp trên máy tính Trường hợp ở đây là “Realtek PCIe FE Family Controller”, ta chọn [OK] để xác nhận

Trong mục “PLC side I/F”, kích đôi vào “PLC Module” Trong cửa sổ hiện ra,

ta chọn “Ethernet Port Direct Connection”

Trong mục “Other Station Setting”, chọn “No Specification” Sau đó tích vào [Connection Test] để kiểm tra kết nối Cửa sổ thông báo hiện ra báo kết nối thành công, ta chọn [OK] để xác nhận

4, Tải cấu hình phần cứng PLC trực tiếp lên máy tính

Bước 1: Trong menu “Online”, chọn “Read Module Configuration from PLC”.

Bước 2: Cửa sổ thông báo hiện ra, yêu cầu xác nhận việc đọc các module từ

PLC, chọn “Yes” để xác nhận

Bước 3: Phần mềm sẽ tự động kết nối với trạm PLC và tải về thông số các

module có trên hệ thống Cửa sổ thông báo hiện ra, thông báo việc đọc các module từ PLC đã thành công, chọn [OK] để xác nhận

Chương 3 : Module điều khiển vị trí RD75P2

1 Cài đặt parameter AC servo

Cài đặt các tham số cơ bản

Tham số PA01

Tham số Giá trị Giải thích

PA01 1000 Cài đặt tham số kiểu điều

khiển Servo

 Ở đây ta chỉ điều khiển vị trí nên giá trị sẽ là 1000

Tham số PA05

PA05 4000 cài đặt số xung/vòng của

servo

Tham số PA06 và PA07

 Vì bộ điều khiển cho phép tần số phát xung tối đa là 200KHz nên khi phátxung như vậy thì servo sẽ đi rất chậm vì độ phân giải của encoder hơn 4 triệu xung/vòng Do đó cần phải khuếch đại tần số phát xung Chi tiết cách tính như dưới đây

V: Tốc độ max của động cơ (vòng/s)

N: độ phân giải của encoder

H: Tần số phát xung tối đa

 Như vậy sau khi cài đặt giá trị khuếch đại lên 131072/125 lần ứng với mỗixung từ bộ điều khiển Và vì giá trị cài đặt hiện tại yêu cầu điền giá trị cả

tử số và mẫu số nên giá trị CMX(Tử số)=131072 và mẫu số CDV(Mẫu số)=125

PA06 131072 Tử số của tham số hệ số

khuếch đại

số khuếch đại

Tham số PA13

 Tham số PA13 cho phép chúng ta lựa chọn kiểu xung điều khiển Ở đây tham số ta lựa chọn đó là 0011 có nghĩa rằng 1 chân tín hiệu sẽ phát xung điều khiển và 1 chân sẽ điều hướng Lựa chọn kiểu này sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được chân phát xung

xung/hướng với xung tínhiệu dạng NPN

2 Hướng dẫn sử dụng động cơ AC servo sử dụng drive MR J4 10A và AC servo

a.Cấu trúc và thông số cơ bản module điều khiển vị trí RD75P2

Để điều khiển vị trí và điều khiển tốc độ một cách chính xác, ta có thể sử dụng module điều khiển vị trí Module điều khiển vị trí RD75P2 có các

ưu điểm vượt trội như sau: Điều khiển vị trí dễ dàng: Module điều khiển

vị trí được dùng để điều khiển vị trí và điều khiển tốc độ, được thiết lập bởi phần mềm kỹ thuật Ví dụ, trong quy trình niêm phong cửa ô tô, cần phải thực hiện điều khiển vị trí cực kỳ chính xác, để dán chất trám khe trên phần niêm phong của cửa Do đó, cần phải theo dõi quỹ đạo chính xác qua đường thẳng và cung tròn, đồng thời thực hiện điều khiển nội suy

có độ chính xác cao Nhiều chế độ khởi động: Ngoài module vị trí khởi động thông thường, còn có khởi động tốc độ cao, nhiều trục cùng một lúc,chẳng hạn như các khởi động của nhiều phương pháp khởi động Ngoài

ra, module có thể được khởi động theo nhiều nhóm dữ liệu định vị lần lượt khi khởi động RD75P2

Sơ đồ chân của module RD75P2:

Hình ảnh Các chân tương ứng

Sơ đồ đấu nối

Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển RD75P2 với MR J4 10A

b, Cài đặt Parameter cho module điều khiển vị trí RD75P2

- Chọn Navigation -> Parameter -> Module Information -> RD75P2 -> Module Parameter

- Cài đặt các thông số cần thiết cho động cơ servo ở mục Basic setting:

+ Unit setting: cài đặt đơn vị (Ở đây ta chọn tham số điều khiển là xung )+ Electronic gear selection: chọn số bit (Lựa chọn bộ nhớ lưu trữ dữ liệu )+ No of pulses per rotation: Số xung mỗi vòng quay (Số xung phát ra để servo quay được 1 vòng)

+ Pulse output mode: chế độ đầu ra xung (PULSE/SIGN mode) (Cài đặt theo parameter của MRj4)

+ Rotation direction setting: Cài đặt hướng quay (Hướng quay đầu tiên khi bit hướng =0 )

+ Speed limit value: Giá trị tốc độ giới hạn (Tốc độ tối đa cho phép)+ Acceleration time 0: thời gian tăng tốc (Thời gian tăng tốc từ 0 ->max)+ Deceleration time 0: thời gian giảm tốc (Thời gian từ max ->0)

+ Software stroke limit upper/lower limit value: giời hạn trên/dưới của hành trình (Giá trị này là số xung tối đa được phát khi di chuyển tính từ mốc không Nó giống như để xác định điểm giới hạn của servo)

+ JOG speed limit value: giới hạn tốc độ chạy JOG

+ OPR method: phương pháp OPR (Kiểu về home)

+ OPR direction: hướng OPR

+ OPR speed: tốc độ OPR

+ Creep speed: tốc độ creep (Tốc độ tính từ thời điểm nhận tín hiệu cảm biến hôm đến khi mất tín hiệu cảm biến home )

OPR dwell time: thời gian dừng OPR

Sau khi cài đặt xong nhấn Check hiện bảng thông báo No error found -> OK

Chương IV: Chương trình test điều khiển vị trí

Trước khi đi vào lập trình ta có 4 tham số vùng nhớ cần quan tâm đó là : -Positioning start no: Vùng nhớ lưu điểm cần di chuyển đến Ví dụ ta có 2

điểm A và B thì ta sẽ gán giá trị K1 tương ứng với vị trí A và K2 tướng ứng với

vị trí B ở đây ta chọn điều khiển trục 2 nên vùng nhớ sẽ là G1600

-Sau khi xác định được điểm dịch chuyển ta tiếp tục đưa giá trị về tốc độ và vị

trí cần đến với điểm đó

- Positioning identifer : Kiểu điều khiển servo Có 2 kiểu điều khiển chính là

điều khiển tương đối và điều khiển tuyệt đối

+ Khi điều khiển tuyệt đối servo sẽ lấy điểm 0 làm mốc và xác định vị trí dựa trên số xung vừa phát Giả sử ta muốn đến vị trí 1000 thì servo sẽ di chuyển đến vị trí 1000 xung Nếu đến vị trí 500 thì ở đây servo đang ở vị trí 1000 nên

hệ sẽ phát thêm 500xung nữa đỗng thời đổi hướng di chuyển và di chuyển đến

vị trí giữa 0 và 1000

+Điều khiển tương đối khác ở chỗ khi mov số xung muốn phát thì nó sẽ tính cộng dồn ví dụ ta muốn đến vị trí 1000 hệ sẽ đến vị trí 1000 tuy nhiên ta mov tiếp 500 thì hệ sẽ di chuyển tịnh tiến tiếp đến vị trí 1500

 Chính vì vậy tùy vào mục đích sử dụng ta có thể lựa chọn kiểu điều khiển tuy nhiên ở đây ta lựa chọn điêu khiển tuyệt đối nên sẽ MOVE H100 và

vùng nhớ G8000 (tương ứng trục 2 điểm 1) Chi tiết các kiểu điều khiển

có thể tra trong RD75P2 manual

- Command speed : Tốc độ thực thi của servo Giả sử ta đang điều khiển ở vị

trí điểm 1 (bộ điều khiển hộ trợ dịch chuyển lên đến 600 điểm) giá trị được lưu

vào vùng nhớ G8004

- Positioning Address :Vị trí cần đến nó xác định dựa trên số xung phát ra Vị

dụ muốn di chuyển đến vị trí 1000 xung Ta MOVE k1000 và vùng nhớ G8006

(tương ứng với trục 2 điểm 1 ) giả sử muốn di chuyển đến điểm 2 với vị trí

k1000 thì ta sẽ Move giá trị K1000 vào G8016.