Thiết kế và thi công mô hình điều khiển động cơ Servo một chiều

Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stato theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôto.. 5- Bộ phận đổi chiều không chổi than được cấu tạo

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KỸ SƯ NGÀNH CƠ – ĐIỆN TỬ

TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG SVTH : BÙI TRÍ HOÀI

MSSV : 20460182

TP HCM, Tháng 01 - 2010

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công

cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra mạnh mẽ Trước tình

hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được

đặt ra cho giới trí thức

Ngày nay sự kết hợp giữa các ngành học trong lĩnh vực công nghiệp – tự

động hóa là rất cần thiết, cách tốt nhất để thực hiện sự kết hợp đó là đi sâu vào

tìm hiểu, thiết kế, nhằm phục vụ một giải pháp công nghiệp nào đó

Vấn đề tự động hóa trong công nghiệp để giảm bớt lao động chân tay và

nâng cao năng suất lao động, là một trong những đề tài được các bạn sinh viên,

các thầy cô ở các trưởng kỹ thuật quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất Chính vì

vậy thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU” như là một cách thể hiện một

phần trong những kiến thức mà em để thể hiện một phần trong những kiến thức

mà em đã đạt được sau hơn bốn năm học tập tại trường

Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên

không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý

thầy cô và các bạn sinh viên khoa Kỹ Thuật Công Nghệ về đề tài này

Sinh viên thực hiện

BÙI TRÍ HOÀI

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình bốn năm rưỡi học tại trường Đại học Mở TP.HCM.Em đã

được sự hướng dẫn tận tình của quí thầy cô về những kiến thức chuyên môn

cũng như kiến thức trong cuộc sống Tứ những kiến thức nền tảng đó đã giúp

chúng em hoàn thành đố án tốt nghiệp trong thời gian cho phép

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Công Nghệ

đã giảng dạy cho em những kiến thức về chuyên môn và định hướng đi theo sự

hiểu biết, khả năng của em để em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp và tạo điều

kiện thuân lợi cho em hoàn tất khóa học

Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN TRỌNG THẮNG và thầy

NGUYỄN HỒNG SƠN đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đố án tốt nghiệp

này

Sinh viên thực hiện

BÙI TRÍ HOÀI

II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ SERVO 27

Phần C

1 GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ THIẾT BỊ NGOẠI VI 61

TÓM TẮT – ĐỀ NGHỊ - KẾT LUẬN 79

GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT

… ……… NGUYỄN TRỌNG THẮNG

KỸ THUẬT SỐ 1

……… NGUYỄN NHƯ ANH

GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

kỹ thuật luyện kim Trong các thiết bị cơ cấu tự động điều khiển từ xa, giao thông vận tải, trong thông tin liên lạc v.v Tùy theo những lĩnh vực khác nhau mà thường có máy điện một chiều có những yêu cầu khác nhau Thí dụ các máy sử dụng trong ngành

tự động yêu cầu độ tin cậy cao, quán tính bé, công suất nhỏ Trong kỹ thuật hàn, luyện kim thường yêu cầu dòng điện lớn v.v

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sơ lược một vài loại máy điện một chiều đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn bao gồm máy điện một chiều từ trường ngang, máy phát hàn điện và một số máy nhỏ dùng trong kỹ thuật đo lường và

tự động

CHƯƠNG 2:

MÁY KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỪ (MĐKĐ)

Để khống chế một đối tượng nào đó, tín hiệu có thể dẫn trực tiếp đến với đối tượng điều khiển không cần qua hệ thống khuyếch đại Cũng có thể tín hiệu được qua

bộ phận trung gian khuếch đại đưa đến đối tượng điều khiển

Máy khuếch đại điện từ hay máy khuếch đại (MKĐ) là một trong các thiết bị trung gian nhận tín hiệu đưa đến đối tượng điều khiển nó có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện áp hay dòng điện nhỏ để khống chế một công suất lớn

Máy điện một chiều kích thích độc lập cũng có thể xem như là một mô hình của

không được dùng như MĐKĐ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lí máy điện một chiều kích từ độc lập

i v r v

r r vào

ra

I U

I U P

U

U

r i

I I

Hiện nay có thể chế tạo MĐKĐ có k KĐ 10.000100.000 Chất lượng của MĐKĐ còn được đánh giá bởi khả năng tác động nhanh của nó, xác định bằng hằng số

yếu tố trên người ta thường dùng hệ số chất lượng:

T

k

Sơ đồ của MĐKĐ được trình bày như Hình 1.2

chỉnh tác dụng của cuộn bù B Cuộn trợ từ T cho phép hạ thấp dòng điện I 1 do đó cải thiện được vấn đề đổi chiều cho chổi than 1-1 Để cải thiện đồi chiều cho cặp chổi than 2-2 người ta đặt dây quấn phụ DP theo hướng dọc

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lí của MĐKĐ

 Nguyên lý làm việc của MĐKĐ

Tín hiệu được đặt vào dây quấn kích thích gọi là cuộn điều khiển

Như vậy công suất ở mạch vào:

đk đk

đk U I

2 2 2 1 1

Hệ số khuyếch đại công suất:

1 2 1 1

2 2

P

P P

P P

P k

đk đk

Lấy tín hiệu bằng cách lấy điện áp nên điện trở ra của máy phát một chiều đưa

về cuộn điều khiển hai của MĐKĐ Sức từ động của cuộn một và hai cộng nhau

(phản ứng phần ứng) và điện áp rơi trên phần ứng Để khắc phục tình trạng này người

tăng

Hình 1.3: Sơ đồ mạch ứng dụng MĐKĐ ổn định điện áp máy phát điện

Hình 1.4 trình bày một ứng dụng của MĐKĐ dùng duy trì điện áp và tốc độ ĐC không đổi

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lí mạch ứng dụng MĐKĐ

Mạch có chức năng như sau:

CHƯƠNG 3:

MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG

TIẾP XÚC

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các nhà sản xuất máy điện đã chế tạo

ra các loại máy điện một chiều không sử dụng vành góp và chổi than hay còn gọi là máy phát điện một chiều không tiếp xúc Đặc điểm của loại máy điện này là làm việc tin cậy, không tạo ra tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ cao hơn so với các loại động cơ một chiều thông thường Trong phần này sẽ trình bày loại động cơ này

I CẤU TẠO

Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau:

Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m - pha trên stato và rôto kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

Cảm biến vị trí rôto, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều

Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stato theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôto

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều không tiếp xúc

II NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

Hình 1.6 trình bày sơ đồ nguyên lí của động cơ một chiều không chổi than, có một cuộn dây trên mạch stato

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lí động cơ một chiều không chổi than

1- Stato của động cơ 2- Dây quấn trên stato 3- Rôto loại nam châm vĩnh cửu, có hai cực

4- Đĩa sắt từ, có dạng hình tròn khuyết và được đặt trên trục rôto

5- Bộ phận đổi chiều không chổi than được cấu tạo bằng các linh kiện điện tử thực hiện đổi chiều dòng điện của các cuộn cảm trên stato động cơ theo tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí

trí rôto (trục từ trường rôto) thông qua đĩa sắt từ

 Hoạt động

ra sự thay đổi từ trở trên mạch từ ở hai cuộn dây ra của cảm biến vị trí Sự thay đổi này tạo ra tín hiệu điều khiển bộ đổi chiều Bộ đổi chiều sẽ đổi chiều điện áp đặt lên dây quấn stato (đổi chiều từ trường stato) Cực tính điện áp trên dây quấn stato có chiều như hình vẽ

khiển bộ đổi chiều, bộ đổi chiều sẽ đảo cực tính điện áp đặt lên dây quấn stato Chiều điện áp ngược chiều với hình vẽ

Quá trình đổi chiều điện áp trên dây quấn stato phải đồng thời với sự thay đổi chiều cực từ rôto Điều này đảm bào chiều quay của mômen không đổi trong một vòng quay

Hình 1.7 trình bày quá trình kết hợp đổi chiều từ trường stato và từ trường rôto

Hình 1.7: Quá trình đổi chiều từ trường stato và rôto

Khi có dòng điện qua dây quấn stato, dưới sự tác động của từ trường rôto sẽ tạo

ra mômen quay

 Sin k

Với k: hệ số máy không đổi

r

s 

Khi mạch từ chưa bão hòa biểu thức trên có thể biểu diễn dưới dạng sau:

 Sin I k

trên trục động cơ thì động cơ không thể quay

Những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách tăng số cuộn dây quấn trên stato Khi ấy biểu thức (1.5) có thể viết lại như sau:

)2/cos(

2/sin

2/

c

c s

m I k

cuộn stato tăng dẫn đến số phần tử cảm biến tăng và mạch đảo chiều trở nên phức tạp Nên trong thực tế số pha của dây quấn thường không vượt quá bốn

Ngoài ra cách đấu các cuộn dây trên mạch stato cũng làm thay đổi độ lớn và độ dao động của mômen Hình 1.8 trình bày một số cách đấu thường thấy

Hình 1.8: Sơ đồ kết nối giữa các pha động cơ không chổi than

d- Đấu nối tiếp với nguồn

Trong các cách đấu trên thì đấu tam giác sẽ cho hiệu suất cao nhất, độ dao động của mômen là bé nhất Cách đấu song song có bộ đổi chiều đơn giản nhất

Để hiểu rõ hơn vấn đề đảo chiều khi số cuộn dây tăng, ta phân tích nguyên lí hoạt động của động cơ có ba pha và các pha được đấu song song với nguồn

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí đơn giản của động cơ một chiều không chổi than

với stato có ba cuộn dây được nối song song với nguồn

Cuộn dây phần ứng đặt trên các rãnh của stato gồm có ba pha A, B, C lệch nhau

Phần tử tín hiệu có dạng hình tròn khuyết và được làm bằng vật liệu sắt từ Phần tử này được đặt trên trục của động cơ

C của động cơ Các tansistor này làm việc ở chế độ ngắt dẫn và được điều khiển từ bộ

ĐK

Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến A, B, C và đưa ra tín hiệu ĐK bộ đổi chiều

 Nguyên lí hoạt động của động cơ theo Hình 1.9 như sau:

Giả sử ban đầu vị trí phần tử cảm biến tín hiệu của cảm biến vị trí nằm ở vị trí 1 Hình 1.9 Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tạo tín hiệu điều khiển mở

từ động FA với từ thông của từ trường rôto bằng nam châm vĩnh cửu làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ Do phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôto của động cơ nên khi rôto quay thì phần tử này cũng quay theo

Hình 1.9) Ở vị trí này hai phần tử cảm biến A, B cùng tác động tạo tín hiệu điều khiển

làm cho rôto động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ

Khi góc quay của rôto lớn hơn 90 độ so với vị trí ban đầu một ít ( vị trí 3 trên Hình 1.9) Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến B tác động tạo tín hiệu điều khiển mở

lúc này Do đó, rôto của động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ như ban đầu Quá trình trên cứ tiếp tục, tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí được đưa vào các transistor của bộ phận đổi chiều và làm cho chúng dẫn hoặc ngưng dẫn đúng lúc

III MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN

Hình 1.10 trình bày sơ đồ diều khiển động cơ không chổi than, có ba pha, kết nối sao và có đảo chiều quay

Hình 1.10: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ không chổi than

 Nguyên lí hoạt động của mạch

- Khi quay theo chiều kim đồng hồ: D=0

Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí như được trình bày ở Hình 1.11

Hình 1.11: Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay

theo chiều kim đồng hồ

Giả sử ban đầu vị trí vùng khuyết của phần tử cảm biến tín hiệu nằm ở vị trí như Hình 1.10 Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tương ứng với trạng thái logic DCBA =0001 Bộ mã hóa vị trí sẽ tạo tín hiệu ứng với mã 1 điều khiển mở

châm vĩnh cửu làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ Do phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôto của động cơ nên khi rôto quay thì phần tử này cũng quay theo

phần tử cảm biến A, b cùng tác độn tương ứng với trạng thái logic DCBA =0011 Bộ

quay theo chiều kim đồng hồ

Khi góc quay của rôto lớn hơn 900, 1500, 2700, 3300 so với vị trí ban đầu một ít

FCB, FAB, làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ

- Khi quay ngược chiều kim đồng hồ: D= 1

Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí trình bày ở Hình 1.12

Hình 1.12: Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay

ngược chiều kim đồng hồ

CHƯƠNG 4:

ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH MỘT CHIỀU

I KHÁI NIỆM CHUNG:

Là một máy biến tín hiệu điện áp thành tốc độ quay hoặc góc chuyển dịch để đưa vào đối tượng điều khiển

Trong các hệ thống tự động và điều khiển từ xa, ĐCCH được sử dụng rất rộng rãi

So với ĐCCH xoay chiều ĐCCH một chiều có những ưu điểm sau:

- Chúng cho phép nhận được những tốc độ quay lớn, nhỏ tùy ý

- Điều chỉnh tốc độ quay dễ dàng, bằng phẳng, kinh tế và có phạm vi điều chỉnh rộng

- Làm việc ổn định mọi tốc độ

- Có đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh tuyến tính

- Không có hiện tượng tự quay

- Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn từ 2 đến 3 lần so với ĐCCH không đồng bộ

có cùng công suất

Tuy nhiên ĐCCH một chiều có những khuyết điểm sau:

Có vành góp và chổi than, nghĩa là có sự tiếp xúc trượt Điện trở tiếp xúc quá

độ không phải là hằng số gây nên sự kém ổn định của các đặc tính làm việc Tia lửa điện dưới lửa than làm nóng động cơ không cho phép ĐCCH một chiều làm việc ở những vị trí dễ gây nổ Tia lửa điện còn là nguồn gây nhiễu vô tuyến điện, do đó yêu cầu phải có bộ lọc nhiễu đặc biệt và lưới chắn

Theo cấu trúc ĐCCH một chiều có thể phân loại thành:

- ĐCCH một chiều thông thường có kích thước độc lập hoặc bằng nam châm vĩnh cửu

b) ĐCCH một chiều phần ứng không có rãnh chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây:

Trong loại động cơ này, cuộn dây phần ứng được bố trí trực tiếp trên bề mặt hình trụ của rôto Bố trí như vậy, một mặt làm tăng khe hở không khí (khoảng cách không dẫn từ) giữa các cực từ và lõi phần ứng do đó làm tăng dòng điện kích thích cần thiết để sinh ra từ thông trong máy, mặt khác làm giảm đáng kể điện kháng của dây

quấn phần cứng để cải thiện quá trình đổi chiều và làm giảm hằng số thời gian điện cơ, đáp ứng yêu cầu tác động nhanh

c) ĐCCH một chiều quán tính nhỏ cũng nhằm mục đích giả hằng số thời gian điện cơ để đáp ứng yêu cầu tác động nhanh

Trong khuôn khổ giáo trình, chúng ta chỉ nghiên cứu ĐCCH một chiều thông thường

II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Nếu điện áp điều khiển đưa vào cuộn kích thích thì ta gọi là điều khiển cực

Ở ĐCCH một chiều nam châm vĩnh cửu, cuộn điều khiển chỉ có thể là cuộn dây phần ứng nghĩa là chỉ có thể điều khiển phần ứng (hình 1.13)

Khi phần ứng quay, các dây dẫn của nó cắt từ trường kích thích và trong cuộn

n U C C

U  

r

n U C C C U U C

r

n U C C C U C

C   2  2 2

tương đối để so sánh đặc tính của các của các động cơ có công suất khác nhau và tốc

Thay các điều kiện này vào (4.6) ta có

U C

Thay điều kiện này vào (4.9) ta được:



C C

n

e o

Nhận thấy rằng mômen quay m của ĐCCH một chiều khi điều khiển phần

ứng là hàm số bậc nhất (tuyến tính) của tốc độ quay  và của hệ số tín hiệu điều khiển



a) Đặc tính cơ

Trên hình 9.2a vẽ họ đặc tính cơ của ĐCCH

Hình 1.14: Đặc tính cơ (a) và đặc tính điều chỉnh (b) của ĐCCH một chiều

khi điều khiển phần ứng

Từ biểu thức (1.14) và hình 1.13a ta thấy: khi giữ không đổi điện áp điều khiển

( =const) thì tốc độ quay của động cơ giảm đi một cách tuyến tính theo sự tăng lên

mômen cản m trên trục động cơ Mômen cực đại của động cơ ứng với thời điểm mở

máy ( khi  = 0 ) Trị số mômen cực đại (mômen mở máy) trong hệ đơn vị tương đối bằng hệ số tín hiệu điều khiển (khi  = 0 thì m= ) Điều đó có nghĩa là mômen mở

máy tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển Khi giảm điện áp điều khiển (hệ số tín hiệu  )

thì các đường đặc tính cơ chuyển dịch song song với nhau về phía tốc độ thấp và mômen nhỏ Độ cứng (độ dốc) của các đặc tính cơ là không thay đổi

b) Đặc tính điều chỉnh

Là quan hệ  = f ( ) khi m = const

Xuất phát từ 9.13 có thể viết:

Như vậy đặc tính điều chỉnh cũng là tuyến tính (hàm số bậc nhất)

Trên hình 9.2b vẽ họ đặc tính điều chỉnh theo hệ đơn vị tương đối, với các giá trị mômen cản khác nhau

Từ biểu thức 9.14 và họ đặc tính trên hình 9.2b ta thấy rằng với một giá trị mômen cản m cho trước, tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên khi tăng điện áp điều

khiển ( ở đây là tín hiệu điều khiển  ) Nghĩa là tốc độ quay của động cơ tỉ lệ thuận

Khi  = 1 (tín hiệu điều khiển là định mức) thì  = 1 - m do đó khi m = 0,

ĐCCH một chiều điều khiển phần ứng có đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh là tuyến tính Đây là ưu điểm mà các loại ĐCCH khác không thể có được

c) Công suất kích thích:

d) Công suất điều khiển

Công suất này có thể viết dưới dạng:

2

) (

Vì công suất kích thích không đáng kể nên công suất điều khiển gần bằng toàn

bộ công suất mà động cơ tiêu thụ từ lưới điện Đây cũng là nhược điểm chính của ĐCCH một chiều điều khiển phần ứng

e) Công suất cơ trên trục động cơ:

2 2 max

hơn hiệu suất của ĐCCH không đồng bộ đồng thời có kích thước và trọng lượng nhỏ

thông thường vì yêu cầu nhận được đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh phải tuyến tính (mạch từ cần phải không bão hòa) dẫn đến hệ số sử dụng vật liệu thấp và do đó kích thước phải lớn hơn

Đối với ĐCCH một chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao

chỉnh khi điều khiển phần ứng cũng có dạng như đã trình bày ở phần trên

2 Điều khiển trên cực từ:

Trong phương pháp điều khiển cực: điện áp điều khiển được đặt vào cuộn dây phần cảm (cực từ) còn điện áp kích thích là điện áp lưới điện thì đặt vào cuộn dây phần ứng (h 1.12b)

điện lúc khởi động (n = 0)

Trên cuộn dây điều khiển (cuộn dây cực từ ) chỉ đặt vào điện áp điều khiển (chỉ

có tín hiệu điều khiển ) khi có yêu cầu làm chuyển động rôto

KT ĐK

n U C C n C

e KT M

r

n U C C C U C

n

e m

o

1

) 1

; 0 (

1    ;

KT

ĐK M n

K

r

U C C M

M

2 )

1

; 0 ( 1

a) Đặc tính cơ

Hình 1.16: Đặc tính cơ của ĐCCH một chiều khi điều khiển cực

Từ hình 1.16 ta thấy rằng: đặc tính cơ của động cơ cũng là tuyến tính nhưng có

U

1

4 2 4

Đặc tính điều khiển không tuyến tính là nhược điểm của phương pháp điều khiển cực Tuy nhiên còn một nhược điểm lớn hơn là: tính không đơn vị (đa trị ) của

cho phép đối với ĐCCH) Bởi vậy ĐCCH một chiều điều khiển cực chỉ sử dụng trong

M

M m

động cơ m

c) Công suất kích thích

2

) (

. KT KT KT KT KT KT KT KT KT

KT

Công suất này gần bằng công suất tiêu thụ của động cơ (chiếm 95% công suất

W

P đm 5 7

d) Công suất điều khiển

ĐK ĐK

Công suất này rất nhỏ và chỉ bằng tổn hao công suất điện trong cuộn dây kích thích của động cơ (đóng vai trò công suất điều khiển)

Đây chính là ưu điểm của phương pháp điều khiển cực

e) Công suất cơ

2 2 2

)(      

không phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển và luôn có giá trị không thay đổi Đây là tính chất rất quý của phương pháp điều khiển cực, vì nó cho phép động cơ làm việc, ngay

cả khi tín hiệu điều khiển rất nhỏ

 Để động cơ chấp hành tác động nhanh người ta chế tạo phần ứng có quán tính nhỏ dưới dạng rôto rỗng hoặc rôto dẹt hình dĩa có mạch in Loại đầu

III CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ:

1 Loại động cơ rôto rỗng:

Hình 1.8: Cấu tạo rôto rỗng

Phần ứng có dạng hình rỗng, thường làm bằng vải ép hoặc các vật liệu cách điện trên đó có dán các dây quấn phần ứng Để lấy điện ra hay đưa vào phần ứng cũng dùng chổi than tỳ lên vành góp Loại này có khe hở lớn nên hệ thống kích thích phải lớn, máy to hơn, nhưng tác động nhanh vì quán tính bé

2 Loại động cơ có rôto hình đĩa:

Hình 1.19: Cấu tạo của động cơ rôto hình đĩa

Hình 1.20: Cấu tạo đĩa phần ứng

1- Đĩa (được chết tạo từ vật liệu không dẫn từ) 2- Dây dẫn ( được in lên mặt đĩa)

3- Lỗ kết nối dây Cực từ được bố trí theo chu vi của máy và nằm về một phía Phía bên kia là gông từ và thườg các cực từ làm bằng nam châm vĩnh cửu Đĩa phần ưng ( Hình 1.21)

làm bằng vật liệu nam châm cách điện không dẫn từ (bakelit) ở hai mặt bên có in các phần tử dây quấn

Nhờ kỹ thuật mạch in và dây dẫn nên có thể tự động hóa quá trình làm dây dẫn trên mặt đĩa và vấn đề làm nguội được nâng cao Vì thế mật độ dòng điện có thể lên

cổ góp Phần ứng không có răng rãnh nên điện cảm rất nhỏ vì thế đổi chiều tốt hơn,

3 Ứng dụng của động cơ chấp hành một chiều:

Hình 1.21 miêu tả một hệ thống tạo tia lửa điện trong gia công kim loại có sử dụng động cơ chấp hành một chiều

Hình 1.21: Hệ thống tạo tia lửa điện để gia công kim loại

 Nguyên lí hoạt động của hệ thống như sau:

Khi không có tia lửa điện thì điện trở của khe hở phóng điện là rất lớn dòng

Chiều của dòng điện như trên làm cho Sm quay theo hướng mà phần tử nén RU nén điện cực về phía phần tử A làm giảm độ lớn của khe hở phóng điện Khi độ rộng của khe hở phóng điện đủ bé các tụ PG sẽ xả điện lúc này điện áp đạt đến điện áp đánh thủng, sự đánh thủng (phóng điện) xảy ra Khi có sự phóng điện như trên thì điện trở của khe hở phóng điện giảm đột ngột dòng điện qua SM đổi chiều làm cho động cơ

SM cũng đảo chiều quay, kéo theo điện cực A làm cho nó chuyển hướng ra xa B Điện trở của khe hở phóng điện lại phục hồi, chu kỳ cứ thế lặp lại

Mặt khác động cơ servorvo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc

và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được

vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chuẩn xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và

xe hơi Ứng dụng mới của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi

Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C (radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay và xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này Như vậy có nghĩa là ta không cần điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế Ta

có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu động cơ servo R/C là gì, sử dụng chúng trong robot như thế nào Mặc dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C được sử dụng nhiều nhất Để đơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo

II HOẠT ĐỘNG CỦA SERVO

2 Electronics Board

3 Positive Power Wire (Red)

4 Signal Wire (Yellow or White)

5 Negative or Ground Wire (Black)

6 Potentiometer

7 Output Shaft/Gear

8 Servo Attachment Horn/Wheel/Arm

9 Servo Case

10 Integrated Control Chip

Hình 1: Một động cơ servo R/C kích thước chuẩn điển hình dùng trong mô

hình máy bay và xe đua Ngoài ra còn có nhiều loại kích thước thông dụng khác

Hình 2: Bên trong của một động cơ servo R/C Servo bao gồm một động cơ,

một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển và một vôn kế

Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín

Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V)

Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ

Như ta dự đoán, động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng…

III SERVO VÀ ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG

Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi

từ 1 – 2 ms Các xung này được gửi đi 50 lần/giây Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm

Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như Hình 3.)

Hình 3: Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung

Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển

Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa

để đến đích càng nhanh càng tốt Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn - một

Vì độ dài xung có thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu

IV VAI TRÒ CỦA VÔN KẾ

Vôn kế trong servo giữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo, Vôn kế chính là trục ra) Bằng cách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo Ta đã biết Vôn kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, như hình 4

Khi cần chạy bên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi

Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vào và phát“tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kế và độ dài của tín hiệu vào Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ Khi điện thế của Vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng

V CÁC GIỚI HẠN QUAY

Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ)

Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó, trục ra của động cơ sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động cơ bị phá hủy

Hình 4: Vôn kế thường được dùng như một cầu chia áp

Khi Vôn kế quay, cần chạy di chuyển dọc theo chiếu dài thanh điện trở

Tín hiệu ra của Vôn kế là một điện thế biến thiên từ 0 -? V

Các loại và kích thước servo đặc biệt

Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot và mô hình điều khiển vô tuyến cón có các loại servo R/C khác:

Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo): kích thước gấp khoảng 2 lần servo chuẩn, công suất lớn hơn rõ, được dùng trong các mô hình máy bay lớn nhưng cũng có thể làm động cơ công suất tốt cho robot

Servo nhỏ (mini-micro servo): kích thước nhỏ hơn khoảng 2 lần so với servo chuẩn, không mạnh bằng servo chuẩn, dùng ở những không gian hẹp trong mô hình máy bay hay xe hơi

Servo tời buồm (sail minch servo): mạnh nhất, dùng để điều khiển các dây thừng của buồm nhỏ và buồm chính trong mô hình thuyền buồm

Servo thu bộ phận hạ cánh(landing-gear retraction servo): dùng để thu bộ phận

hạ cánh trong mô hình máy bay vừa và lớn Thiết kế bộ phận hạ cánh thường đòi hỏi

chuẩn vì không gian giới hạn trong mô hình máy bay

Hệ thống truyền động bánh răng và truyền công suất

Động cơ bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút Tốc độ này quá nhanh để có thể dùng trực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot Tất cả các servo đều có một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động cơ còn khoảng 50 –

100 v/ph Các bánh răng của servo có thể làm plastic, nylon hay kim loại (thường là đồng thau hay nhôm) Bánh răng kim loại có tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao Các bánh răng thay thế luôn có sẵn Khi một hay vài bánh răng bị hư, servo không khớp và ta phải thay bánh răng Trong một vài trường hợp ta có thể “nâng cấp” bánh răng plastic thành bánh răng kim loại

Bên cạnh các bánh răng dẫn động, trục ra của động cơ cũng thường bị mòn và xước Trong các servo rẻ nhất, trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic, miếng đệm này rất dễ mất tác dụng nếu động cơ chạy nhiều Thực sự thì đây cũng không phải là miếng đệm mà chỉ là một ống lót giúp giảm ma sát giữ trục và vỏ của servo Các ống lót bằng kim loại, cụ thể là ống lót bằng đồng thau có thấm chất bôi trơn, bền hơn

nhưng cũng đắt hơn Servo sử dụng vòng bi có tuổi thọ cao nhất và đắt nhất Ta cũng

có thể “nâng cấp” servo bằng vòng bi có sẵn

VI THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA SERVO

Servo R/C có một vài tiêu chuẩn Sự giống nhau này được áp dụng chủ yếu cho các servo kích thước chuẩn - khoảng 1,6 x 0,8 x 1,4 inch Với các kiểu servo khác, kích thước thay đổi theo nhãn hiệu vì chúng được thiết kế cho những nhiệm vụ cụ thể

Bảng 1: cho ta các thông số điển hình cho nhiều kiểu servo, bao gồm kích

thước, khối lượng, moment xoắn và thời gian transit Dĩ nhiên ngoại trừ kích thước của servo chuẩn, các thông số khác có thể thay đổi tùy theo mẫu và nhãn hiệu

Moment xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra Đơn vị chuẩn của moment xoắn trong servo R/C là ounce.inch Các servo có moment xoắn rất cao nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc

Thời gian transit (còn gọi là tỉ lệ quay – slew rate) là thời gian để trục servo

servo lớn quay chậm hơn Thời gian transit càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh Từ thời gian transit ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng / phút của trục động cơ

Nhiều servo R/C được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt có thể thích ứng với robot Ví dụ: servo dùng cho mô hình thuyền buồm sẽ không bị vô nước, vì vậy rất hữu dụng cho robot làm việc trong hay gần nước

VII CÁC KIỂU NỐI ĐẦU DÂY

Trong khi nhiều đặc điểm của servo được chuẩn hóa thì hình dạng và tiếp điểm điện của connector gắn servo với máy thu lại rất khác nhau giữa các nhà sản xuất Dù robot có thể không dùng máy thu vô tuyến nhưng ta vẫn phải gắn servo với một connector thích hợp trên mạch điều khiển hay trên máy tính.Nếu thấy quá phức tạp ta

có thể đấu cứng connector lên mạch điện tử nhưng điếu này khiến việc thay thế servo khó khăn hơn

Có 3 kiểu đấu dây chính: