GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ SERVO

GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ SERVO

Trang Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ SERVO 1.1 Phân loại động Servo Động có Servo có loại: 1.1.1 Động Servo DC - Điều khiển động chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả điều khiển đồng thời tốc độ vị trí Mặc dù với phát triển công nghiệp điện tử, động xoay chiều điều khiển tốc độ biến tầng ngày phát triển mạnh mẽ động Servo DC sử dụng phổ biến máy công cụ điều khiển số Những năm trước 1995 kỉ trước 95% động dùng xích chuyển động chạy dao máy động NC/CNC sử dụng động DC điều khiển Servo Động Servo DC có loại: động chiều có chổi than động chiều khơng có chổi than a Động Servo DC có chổi than - Động servo dịng chiều DC chổi than trình bày (hình 1.1) gồm thành phần bản: stator động DC nam châm vĩnh cửu, cuộn day phần ứng lắp roto Trong trình hoạt động, từ trường cố định sinh từ nam châm vĩnh cửu gắn stator tương tác với dòng từ sinh từ cuộn dây roto có dịng điện chạy qua Q trình tương tác sinh moment tác động lên trục roto Moment biểu diễn theo phương trình Tm=ke.ϕ.Ie.sinƟ - (1) Trong : Te = moment động ; Ke=hệ số động ; Φ = mật độ dòng từ ; Ia = dòng phần ứng ; Ɵ = góc vectơ từ trường cố định vectơ dòng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang Hình 1.1: Cấu tạo động Servo DMC chổi than - Công thức (1) cho thấy phần tử sinƟ ảnh hưởng tới moment trục động Hình 1.2 quan hệ vectơ từ trường cố định vectơ dòng qua phần ứng moment trục động tăng dần từ Ө = 0o lớn góc Ɵ =90o có nghĩa vectơ từ trường cố định vng góc với vectơ dòng phần ứng, moment trục động lớn Ɵ = 0o vectơ dòng phần ứng song song với vectơ từ trường cố định, moment trục nhỏ Để đảm bảo moment trục động đạt giá trị lớn cần thiết phải điều khiển chuyển mạch cấp điện cho cuộn dây roto cho vectơ dòng phần ứng ln ln vng góc với từ trường cố định Với cách điều khiển trình cấp điện trên, mơmen động biến thiên tỉ lệ với dịng cấp cho cuộn dây phần ứng Hình 1.2: Vectơ từ trường cố định vectơ dòng momen động Servo DC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang - Một mối liên hệ khác thông số động chiều tốc độ quay rôto tỷ lệ với sức điện động phản điện động phản điện sinh cuộn dây phần ứng - Mômen tốc độ động Servo DC điều khiển mơ tả hai phương trình sau: Tđc= Km.Iu Eb=Kb.ω - (2) (3) Trong đó: Tđc- mơmen từ, Nm Iu- dịng điện cuộn dây phần ứng, A Eb- điện áp phản điện (emf), V Km- hệ số mômen, kgm/A Kb- hệ số điện, đơn vị đo vơn vịng phút ω- vận tốc quay động cơ, vòng/phút - Mạch động Servo DC hình 1.3 Hình 1.3: Mạch động Servo DC - Từ định luật Kirchhoff ta có phương trình mạch Vu = K b ω + R u I u + L u ( - dI u ) dt (4) Thành phần Lư nhỏ so với Rư nên bỏ qua Lư Bỏ qua Lư phương trình là: Vư – RưIư = Kb ω - (5) Phương trình mơmen tải Tm đặt trục động : Tm = Tđ + T s + T c (6) Và Td =Jđc (dω/ dt) Ts = fdcω ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang Tc =Jm (dω/dt)+fm - Trong : Tđ - mômen động; Ts - mômen tĩnh; Tc - mômen cản; Jđc- mơmen qn tính roto động cơ; Fđc- hệ số sức cản nhớt tải; Jm – mơmen qn tính tải; Fm- hệ số sức cản nhớt tải; - Để động quay mơmen động phải với mômen tải: Tm= Tđc=Km.Iu - (7) Ưu điểm động Servo DC chổi than đơn giản điều khiển giá thành sản phẩm rẻ Tuy nhiên sử dụng chuyển mạch khí gây ồn, tăng nhiệt độ vành góp qn tính rơ to cao giảm tốc độ Để khắc phụ nhược điểm người ta sử dụng đông Servo DC không chổi than b Đông Servo DC chổi than - Động Servo DC khơng có chổi than sử dụng phổ biến máy công cụ điều khiển số Cấu trúc giống động Servo DC chổi than khác chổ cuộn pha động lắp Stato Rôto nam châm vĩnh cửu Roto chế tạo từ vật liệu ferit samari coban Rơto làm từ vật liệu samari coban có khả tập trung từ cao từ dư thấp Nhưng giá thành rôto loại cao nhiều so với rơto làm từ vật liệu ferit Vì vậy, dùng để chế tạo rôto cho động công suất lớn Tương tự động xoay chiều, từ trường quay động DC không chổi than sinh nhờ mạch điều khiển thứ tự cấp dòng cho cuộn pha Cuộn dây pha động khơng chuyển động sử dụng chuyển mạch điện tử nên loại trừ nhược điểm tồn động DC Servo chổi than ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang - Điều khiển trục máy công cụ điều khiển số địi hỏi điều khiển xác vị trí tốc độ Vì vậy, động Servo DC khơng chổi than cần phải có mạch phản hồi, tính hiệu phản hồi tốc độ quay trục động vị trí góc trục Để đảm bảo xác chuyển động bàn máy, tín hiệu phản hồi phải cấp liên tục cho mạch điều khiển Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi động Servo DC thường sử dụng cảm biến tốc độ (Tachometer) chổi than khơng có chổi than, sensor hiệu ứng Hall, resolver, synchro encoder Nguyên lí làm việc thiết bị trình bày mục Hình 1.4: a) Sensor hiệu ứng Hall đĩa từ lắp động b) Tín hiệu chuyển mạch sensor hiệu ứng Hall sinh vòng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang - Phuơng pháp chuyển mạch hiệu ứng Hall đuợc sử dụng phổ biến điều khiển động Servo DC Trong động Servo DC pha không chổi than người ta đặt cố định sensor hiệu ứng Hall lên vỏ phía động cách điều 1200 quanh trục động Để lấy tín hiệu sensor hiệu ứng Hall, đĩa từ (hình 1.4a) đuợc lắp trục động dĩa người ta cắt rãnh Khi sensor hiệu ứng Hall qua rãnh, khoảng thời gian ngắn dòng từ bị kết đầu sensor hiệu ứng Hall VH khơng có điện áp Vh (Vh – điện áp hiệu ứng Hall) Tín hiệu từ sensor thuờng đuợc đưa qua mạch Trigger Smith để hiệu chỉnh lại thành xung chữ nhật - Hình 1.4b tín hiệu đưa từ sensor hiệu ứng Hall vòng quay trục động Tín hiệu dùng để điều khiển chuyển mạch Transitor cơng suất tín hiệu điều khiển động Đồng thời dùng để xác định vị trí động - Hình 1.5 sơ đồ khối đơn giản mạch điều khiển chuyển mạch động pha động Servo DC không chổi than ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang Hình 1.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển chuyển mạch cho động ba pha - Hệ gồm biến đổi công suất dịng vào dịng đuợc điều khiển mạch điều chế chiều rộng xung PWM (Pul Width Modulator) Mục đích biến đổi khống chế dịng điện cấp cho cuộn dây Lx, Ly, Lz Tín hiệu chuyển mạch điều khiển động gởi tới chân điều khiển Transitor cơng suất dịng vào Transitor cơng suất lắp theo kiểu Darlingtor Hình 1.6a mạch Transitor dịng vào, dịng thốt, cuộn pha Lx, Ly tuơng tự với cuộn Lx Lz Ly Lz ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang Hình 1.6: a) Mạch transistor vào transistor thoát với cuộn pha b) Mạch phát xung tam giác hình 1.7 mạch biến đổi cơng suất dịng vào mạch tín hiệu Mạch biến đổi cơng suất dịng vào có cấu trúc mạch biến áp xung đẩy kéo Tần số chuyển mạch biến đổi cơng suất dịng vào đuợc thực nhờ mạch đa hài Mạch thiết lập từ IC CD4078B Tín hiệu Q Qbù mạch đuợc đưa tới chân điều khiển chân Transitor truờng ( mosfeet) công suất Bộ biến đổi cơng suất dịng vào cịn đuợc điều khiển điều chế chiều rộng xung ( PWM ) tần số thấp Tần số phát xung PWM thực nhờ máy phát xung tam giác hình 1.5b - Hình 1.7 sơ đồ mạch biến đổi dòng Điều khiển mạch đa hài mạch biến đổi đẩy kéo hoạt động sau: Khi chân tín hiệu Q IC CD4047B múc cao tín hiệu Enable (A) mức thấp, dòng chảy từ nguồn điện áp chiều 12V qua Transitor Q1 tới cuộn Lp1 biến áp T1 C qua Transitor Q3 đất thời điểm khơng xuất dịng cuộn Ls1 chảy qua cuộn cảm L, D3 biến thiên áp nguợc Khi Q chuyển từ mức logic cao xuống mức logic thấp Enable (A) không thay đổi mức tín hiệu, dịng chảy qua Lp1 bị ngắt Trong cuộn dây Ls1 xuất dòng chảy qua D3 huớng tới điểm E nạp điện cho tụ C1 Tại thời điểm tín hiệu Q bù từ mức thấp chuyển lên mức cao ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang ‘ Hình 1.7: Một sáu tầng biến đổi hệ điều khiển động DC khơng chổi than - Dịng chảy từ nguồn 12V qua cuộn Lp2 T1 hướng tới điểm D qua Q4 đất cuộn Ls2 xuất dòng điện chảy qua Ls2 tới điểm E nạp điện cho tụ C1 Như với tần số thấp tín hiệu Enable, tụ C1 nhanh chóng đuợc nạp đến mức xác định xung dịng điểm C D có tần số di trì ổn định nạp điện áp điểm E gần không thay đổi Điện điểm E điện áp cho Anôt Triristor T1 - Điện áp điểm F điều khiển biên độ dịng gốc khuếch đại cơng suất Dalington điện áp hàm tín hiệu chuyển mạch điểm B - Trong thời gian vùng rỗng tín hiệu điểm B dịng điện chiều điện áp 12V qua Trasitor Q2 tới điểm G cuộn dây Lp1 biến T2 sau qua cuộn Lp1, diode D1 đến C, lúc chân Q CD4047B mức cao B mức logic thấp D2 trở thành điện áp thuận dòng chảy từ G qua D2 qua Q4 đất - Khi tín hiệu Q chuyển xuống mức thấp gây ngắt dòng chảy Lp1 T2 diode Schottky D5 trở thành điện áp thuận Kết có dịng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 10 chảy tới điểm F Khi Qbù chuyển từ cao xuống dịng chảy Lp2 T2 bị ngắt D6 có thiên áp thuận dòng chảy điểm F - Biên độ điện áp điểm F tỉ lệ với độ rỗng xung chữ nhật điểm B Mạch Darlinton bị khóa hệ điều khiển giữ cho cực gốc Transitor Q2 mức logic cao Khi q2 khóa biến đổi đẩy kéo thứ không hoạt động khơng có chảy tới điểm F, khơng có dịng cấp cho cực gốc Q6 nên Q6 bị khóa Khi điểm B chuyển từ logic cao sang logic thấp Transitor Q2 mở Độ rỗng xung điểm B tăng lên làm cho dòng gốc Transitor Q6 tăng lên độ rỗng xung vào B giảm xuống dòng gốc Q6 giảm xuống Như dòng collector emitter Darlington hàm độ rỗng tín hiệu chuyển mạch - Tiristor T1, Transitor Q5 Diode zener D7 hình thành mạch bảo vệ động Servo chống áp cho mạch điều khiển Để không chế áp người ta nối điểm H hình 1.7 với điểm hình 1.6 Tiristor T1, transitor Q5 diode zener D7, điện trở R3 R4 lắp hình 1.7 Trong mạch điện trở R3 điện trở R4 chọn đủ lớn để với điện áp bình thường Q5 ln bị khóa Tiristor T1 ln bị khóa Khi điện áp D vượt điện áp định mức đủ lớn Transitor Q5 mở, Transitor T1 mở nên điện áp điểm E F gần khơng mạch Darlington khóa Chú ý q trình điện áp D vượt điện áp cho phép, Transitor Q2 trạng thái mở ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG ... dụ thiết bị chuyển động theo chương trình số, nguời ta thường sử dụng động Servo Động Servo động AC, DC động chiều khơng có chổi than có mạch phản hồi vị trí .Động Servo đắt động bước • Hệ thống... biến động AC Servo Hình -11 hình dạng ngồi động AC Servo - Nhưng nhược điểm động AC Servo hệ điều chỉnh tốc độ động phức tạp đắt tiền so với động DC Hệ điều khiển tốc độ động AC Servo dựa sở... sau: • Momen khởi động động - Momen tốc độ quay gọi momen khởi động Để động tự khởi động được, động phải sinh ram omen lớn momen ma sát momen tai đặt lên trục Nếu gọi a gia tốc góc động đuợc đo Rad/s2,