Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit me bi và đai
Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc CHƯƠNG I : DẪN NHẬP 1.1 Lý chọn đề tài Trong gia công khí yêu cầu độ xác cần thiết cần có cấu để điều khiển vị trí cách xác.Cơ cấu hoạt động thông qua việc điều khiển từ máy tính.Để đáp ứng yêu cầu nhóm chọn đề tài : Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.2 Giới thiệu đề tài Động dùng để truyền chuyển động quay ta chuyển thành chuyển động tịnh tiến nhờ cấu vit-me đai ốc.Khi vit-me quay đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vit-me.Trên sở ta điều khiển vị trí đai ốc thông qua điều khiển góc quay động Việc điều khiển vị trí quan trong gia công khí cắt gọt công nghiệp.Ứng dụng việc điều khiển trục máy CN, CNC, máy in, định vị lỗ khoan, truyền động cho băng tải… 1.3 Mục đích nghiên cứu đề tài : điều khiển vị trí động Servo DC với yêu cầu sau: - Điều khiển vị trí động Servo DC có kiểm soát vị trí điều khiển PID - Điều khiển trực tiếp động giao tiếp máy tính - Điều khiển tốc độ động Servo DC, từ nghiên cứu điều khiển động máy công cụ CN, CNC, băng tải … ứng dụng khác động Servo DC kể bước Servo, Servo AC 1.4 Giới hạn đề tài : - Điều khiển động Servo DC, loại động Dc kích từ độc lập hhoặc dùng nam châm vĩnh cửu, có công suất P < 60W, cụ thể động Servo DC 24V – 50W - Điều khiển động Servo DC phương pháp điều chế độ rộng xung kết hợp với việc dùng vi điều khiển Atmega - Đảm bảo ổn định vị trí vòng phản hồi vị trí dùng encoder Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUÂN 1.1 Đại cương động DC kích từ độc lập 1.1.1.Giới thiệu sơ lược động điện chiều: Động điện chiều có loại a.Động điện chiều kích từ độc lập + Ukt R kt - A + Lkt Ru Eu Uu + Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTĐL b.Động điện chiều kích từ song song + Ukt = Uu R kt - + A Lkt Ru E u Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTSS c.Động điện chiều kích từ nối tiếp + _ Ud Ru - A Eu Lkt + R kt Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTNT Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc Trong đồ án nhóm chọn động điện chiều kích từ độc lập : - Làm việc tải nhỏ - Điều khiển tốc độ dễ dàng, xác 1.1.2 Cấu tạo: Cấu tạo động gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (roto), cổ góp chổi điện Hình 2.4 Cấu tạo ĐC KTĐL Nguồn điện chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp Cường độ từ trường không thay đồi Tốc độ động điều khiển thông qua dòng roto Có thể đảo chiều chuyển động cách đảo chiều dòng điện qua roto Hình 2.5 Nguyên lý ĐC KTĐL Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.1.3 Sơ đồ nguyên lý phương trình đặc tính: + _ Ikt Lkt R kt - A + E u R u Iu + _ Hình 2.6 Nguyên lý ĐC KTĐL Ikt = U kt R kt + R cdkt Uu = Eu + Iu.Ru Mà Eu = KΦ kt ω Iu = Mdt KΦ kt Suy : Uu = KΦ kt ω + Mdt Ru KΦ kt Kết luận : Để thay đổi tốc độ động ta có cách - Thay đổi từ thông Φ - Thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động cơ: Dùng phương pháp PWM mắc thêm điện trở phụ vào phần ứng 1.2 Giới thiệu Encoder: 1.2.1.Khái niệm : Encoder hay gọi mã hóa quang kỹ thuật số thiết bị chuyển đổi chuyển động thành chuỗi xung kỹ thuật số Bằng cách đếm cách đơn lẻ cách giải mã tập hợp bit, xung chuyển đổi để đo lường vị trí tương đối hay tuyệt đối Encoders có cấu hình tuyến tính quay, loại phổ biến quay Rotary encoders sản xuất hai hình thức bản: mã hóa tuyệt đối nơi từ kỹ thuật số tương ứng với vị trí trục quay, mã hóa gia tăng, sản xuất xung kỹ thuật số trục quay, cho phép đo vị trí tương đối trục Hầu hết mã hoá quay bao gồm đĩa thủy tinh nhựa mã với mô hình xuyên tâm photographically gửi tổ chức theo dõi Theo đường xuyên tâm ca khúc gián đoạn chùm photoemitter-cặp máy dò, xung kỹ thuật số sản xuất Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.2.2 Phân loại : Có loại Encoder a Absolute encoder : Hình 2.7 Absolute encoder Là loại thiết bị mã hóa mà tín hiệu mã đầu song song để thị góc quay tuyệt đối trục Loại không cần đếm để đếm xung mà biết góc quay trục thiết bị mã hóa Cũng giống nhiều loại Encoder khác, giải mã tuyệt đối gồm đĩa tròn, có khoảng suất đục Ánh sáng xuyên qua phần suất đến cảm biến quang, đĩa quay cảm biến bật lên phần ánh sáng bị chặn phần đục làm cảm biến quang xưống Như cảm biến quang tạo thành xung - Khi thiết bị mã hóa sử dụng với thiết bị khác, vị trí trục xam góc tọc độ Khi trục thiết bị mã hóa quay tọa độ góc góc quay hiển thị thị máy Tín hiệu đầu thiết bị mã hóa không bị ảnh hưởng nhiễu thiết bị đóng, ngắt không yêu cầu điều chỉnh góc quay xác Hơn nữa, chí tín hiệu mã hóa đầu khộng thể đọc trục quay nhanh, góc quay xác ghi tốc độ quay giảm xuống, nguồn cho thiết bị mả hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa không hoạt động rung động thiết bị sử dụng - Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cáo cho giá trị thay đổi phạm vi rộng so với thiết bị mã hóa tăng dần Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc b Incremental encoder : Incremental encoder Hình 2.8 Incremental encoder Cấu tạo Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung phù hợp với góc trục quay Thiết bị mã hóa xung trục không làm việc Do cần có đếm để đếm xung Thiết bị mã hóa ch biết vị trí trục quay số xung đếm Dạng thiết bị mã hóa có hay kênh ngõ ra: + Loại chiều (chỉ có đầu kênh A) loại sinh xung trục quay + Loại chiều (có đầu kênh A B) cho biết chiều trục quay, nghĩa thuận chiều kim đồng hồ Ngoài có đầu dây trung tính (xung Z) cho vòng quay, có nghĩa quay vòng xung Z lên Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ xung track (B) trễ pha xung track (A) Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Incremental encoder Hình 2.9 Nguyên lý Incremental encoder Giả sử encoder có xung A,B,Z hình Khi truc động quay nhờ cặp led thu phát hồng ngoại đổi trạng thái liên tục.Do xung A,B lệch pha góc 90 xung Z có xung vòng nên ta có giản đồ xung hình Ta dùng đếm để đếm xung từ biết vị trí động nào.Tùy vào loại encoder mà ta có độ phân giải khác nhau.Vd encoder ghi 200 p / r nghĩa động quay vòng ta đo 200 xung Encoder đồ án loại 200 xung/vòng.Chỉ có xung A B xung Z Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.3 Vít-me đai ốc bi 1.3.1 Khái niệm Cơ cấu vít-me đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến đai ốc Khi động quay đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít-me Vit-me đai ốc thường bao gồm trục tiện ren lắp với ống tiện ren cho ren phải dạng bước ren với Hình bên minh họa ăn khớp trục vít đai ốc.Cơ cấu cấu bulong đai ốc.Khi bulong di chuyển đai ốc chuyển động tịnh tiến Tiếp xúc bulong đai ốc tiếp xúc mặt nên đai ốc di chuyển tương đối khó masat lớn Hình 2.10 Vít-me đai ốc thường 1.3.2 Vít-me đai ốc bi Để khắc phục tượng ta tiện rãnh trục vít-me có hình tròn thay hình thang tam giác rãnh đặt vào viên bi sắt Mối ghép vít me bi đai ốc đường lắp đầy viên bi thép Khi trục vít xoay, viên bi cuộn tròn mối ren trục vít đai ốc Hình 2.11 Nguyên lý vit-me bi Page Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc Điều nhằm giảm ma sát chúng Bởi viên bi cuối sẻ rơi ngoài, nên đai óc có đường ống dẫn để vét viên bi khỏi rãnh trục vít đưa chúng trở lại phần đầu đường bi phía cuối đai ốc Lực đẩy đai óc không nặng nề nhờ viên bi cuộn tròn, trượt Hầu hết chúng cần tí chổ trống để dầu vào, giả có cố kẹt bi rãnh Vít-me có rãnh bi Vít-me có rãnh bi Hình 2.12 Cấu tạo vít-me đai ốc bi Khả làm viêc : - Do thay chuyển động trượt thành chuyển động quay tròn viên bi nên masat giảm đáng kể chuyển động trục vít-me đai ốc nhẹ nhàng - Cũng masat nên trục vít-me bi có tuổi thọ cao vít-me thường đồng thời việc truyền động trở nên xác khử độ rơ vít-me đai ốc Page 10 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 4.1.Mạch động lực Nhóm sử dụng mạch cầu H MOSFET (IRF540 IRF9540) để thiết kế mạch động lực nhằm cấp nguồn điều khiển đảo chiều động cơ.Ngoài có MOSFET làm nhiệm vụ cấp PWM để điều khiển tốc độ động cơ.Trong đò án nhóm sư dụng MOSFET loại cảm ứng 4.1.1 Đặc tính MOSFET IRF540 (thường đóng) IRF9540 (thường mở) Hình 4.1 MOSFET loại cảm ứng MOSFET hay gọi transistor có cực cách li, có tác dụng khóa K Việc kích đóng hay mở khỏa K tùy thuộc vào điện áp đạt vào chân G FET.VG âm dương Page 19 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc Ta có đặc tính dẫn MOSFET hình Hình 4.2 Đặc tính dẫn MOSFET 4.1.2 Một số thông số quan trọng MOSFET (IRF540 va IRF9540) - Dòng làm việc Max từ 23A 33A tùy nhiệt độ môi trường cao hay thấp - Kích dẫn áp +- 20V - Nhiệt độ làm việc -55C 175 C - Thời gian trễ +IRF 540 : turn on (11ns) turn off (39ns) +IRF 9540 : turn on (16ns) turn off (47ns) - Tần số chuyển mạch cực đại 1Mhz Page 20 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 4.1.3.Sơ đồ nguyên lý a Sơ đồ nguyên lý A B 24V Q R 720 Q IR F 4 IR F O P TO P521 O P TO P 521 M G R R R 720 R 470 R M O TO R D C Q Q IR F R R J1 C O N R R 470 IR F 24V PW M O P TO P 521 IR F 2 R R J2 Q A B PW M R R C O N Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng MOSFET b.Phân tích mạch Mạch dùng MOSFET (2 IRF540, IRF9540) để tạo cầu H điều khiển chiều động cơ.Bên cạnh IRF540 làm nhiệm vụ cấp PWM điiều khiển vận tốc động cơ.Mạch dùng Opto làm nhiệm vụ cách ly mạch động lực với mạch điều khiển Atmega IRF540 khóa thường mở,còn IRF9540 khóa thường đóng.Khi có điện 540 đóng lại 9540 mở Theo mạch bình thường Q2 Q3 đóng, Q4 Q5 mở - Khi ta kích mức vào chân A : Q2 đóng lại Q4 mở ra, dòng điện từ nguồn qua Q3 qua động đến Q4 Mass, Q2 Q5 mở - Khi ta kích mức vào chân B : Q3 đóng lại Q5 mở ra, dòng điện từ nguồn qua Q2 qua động đến Q5 Mass, Q3 Q4 mở Page 21 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc - Khi có xung PWM Q1 đóng ngắt liên tục theo xung để điều khiển điện áp trung bình qua động từ điều khiển tốc độ động Ưu điểm mạch : - Tránh tượng trùng dẫn lúc có Q2, Q5 Q3, Q4 đóng mà - Có khả hãm : Khi ngưng cấp nguồn quán tính nên mạch xuất suất điện động cảm ứng.Nếu ta cấp mức mức vào chân A B triệt tiêu suất điện động Page 22 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 4.2 Mạch điều khiển Nhóm dùng vi điều khiển Atmega để điều khiển thuận nghịch cấp PWM cho động cơ.Ngoài dùng IC ( hỗ trợ việc đọc encoder) Hình 4.4 Mạch điều khiển Atmega8 Phân tích mạch : Mạch dùng Atmega để điều khiển có MAX 232 giao tiếp máy tính thông qua cổng COM IC SN74LS86AN IC cổng XOR làm nhiệm vụ ghép xung tăng độ phân giải (nhân xung) cho encoder mục đích làm cho việc điều khiển xác IC SN74HC14 la IC strigger có tác dụng làm đẹp xung đưa từ encoder Page 23 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc CHƯƠNG V : THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 5.1.Ý tưởng : Dùng máy tính thiết kế giao diện truyền thông số vị trí xuống vi điều khiển, sau vi điiều khiển nhận xử lí tín hiệu cho động chạy đến vị trí định trước 5.2 Thực 5.2.1.Thiết kế giao diện lập trình dùng Visual Basic 6.0 Giao diện giúp người dùng truyền byte chứa vị trí cần vít-me thông số chiều quay a.Giao diện Hình 5.1 Giao diện VB Page 24 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc b.VB code Private Sub cmd1_Click() If cmd1.Caption = "Vitri" Then vitri = Val(txt1.Text) * 199 malenh(0) = 251 bytetosend(0) = vitri And 255 bytetosend(1) = vitri \ 256 And 255 MSComm1.Output = bytetosend() MSComm1.Output = malenh() Else cmd1.Caption = "Vitri" cmd5.Enabled = True vitri = Val(txt1.Text) * 197 malenh(0) = 251 bytetosend(0) = vitri And 255 bytetosend(1) = vitri \ 256 And 255 MSComm1.Output = bytetosend() MSComm1.Output = malenh() End If End Sub Private Sub cmd2_Click() malenh(0) = 253 MSComm1.Output = malenh() End Sub Private Sub cmd3_Click() malenh(0) = 254 MSComm1.Output = malenh() End Sub Private Sub cmd4_Click() malenh(0) = 252 MSComm1.Output = malenh() End Sub Private Sub cmd5_Click() cmd5.Enabled = False cmd1.Caption = "Ready" malenh(0) = 254 MSComm1.Output = malenh() End Sub Page 25 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc Private Sub Form_Load() With MSComm1 CommPort = 'chose COM1 Settings = "9600,N,8,1" 'baud 9600bps, none parity, bit data, bit stop InBufferSize = 1024 InputLen = RThreshold = SThreshold = OutBufferSize = 512 InputMode = comInputModeBinary '.InputMode = comInputModeText PortOpen = True End With cmd2.Enabled = False cmd3.Enabled = False End Sub Private Sub test_Click() If test.Caption = "Test" Then txt1.Enabled = False cmd5.Enabled = False cmd1.Enabled = False cmd2.Enabled = True cmd3.Enabled = True test.Caption = "Untest" Else txt1.Enabled = True cmd2.Enabled = False cmd3.Enabled = False test.Caption = "Test" cmd5.Enabled = True cmd1.Enabled = True End If End Sub Page 26 Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 5.2.1.Lập trình điều khiển dùng Atmega8 Sau nhận vị trí máy tính gửi xuống lúc VĐK cho trục vít-me quay đến vị trí dừng Code : #include #include #define thuan PORTC.5 #define nghich PORTC.4 int flag; unsigned int xung,xung1; unsigned int vitri; char m; // External Interrupt service routine interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { // Place your code here xung=xung+1; } // External Interrupt service routine interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void) { // Place your code here nghich=0; thuan=0; OCR1A=0 ; } #define RXB8 #define TXB8 #define UPE #define OVR #define FE #define UDRE #define RXC #define FRAMING_ERROR (1[...]... 100x30x70 Có 2 ổ bi ϕ26 đối diện nhau giúp cho vít -me quay dễ dàng hơn Có 2 lỗ ϕ12.5 để lắp thanh dẫn hướng a Gối đỡ 1 : Hình 3.1 Kích thướt gối đỡ 1 Page 15 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc b Gối đỡ 2 : Hình 3.2 Kích thướt gối đỡ 2 Page 16 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc 3.2.2 Con chạy Con chạy được gán với đai ốc có nhiệm vụ liên kết đai ốc với thanh... (trung bình) đặt vào hai đầu cực của động cơ Khi áp trung bình thay đổi tức là làm thay đổi tốc độ động cơ ngay lập tức Page 11 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc Có nhiều phương pháp điều khiển PWM: • Phương pháp tương tự: tác động nhanh và liên tục • Phương pháp số: có thể điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của hệ truyền động • IC chuyên dụng • Dùng con vi điều khiển trện board... dẫn hướng giúp đai ốc chuyển động tịnh tiến mà không bị lắc Con chayl được gia công chính xác sao cho vừa khít với bulong Hình 3.3 Kích thướt con chạy Page 17 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc 3.2.3 Bản vẽ hoàn chỉnh Hình 3.4 Bản vẻ hoàn chỉnh Page 18 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 4.1.Mạch động lực Nhóm.. .Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc 1.4 Lý thuyết PWM 1.4.1 Điều chế độ rộng xung là gì? Để điều khiển tốc độ động cơ như đã trình bày ở phần nguyên lý động cơ có 2 cách: Mắc điện trở phụ và phần ứng và thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ. Phương pháp PWM chính là cách để thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ Điều chế độ rộng xung là phương pháp điều khiển. .. đích làm cho việc điều khiển chính xác hơn IC SN74HC14 la IC strigger có tác dụng làm đẹp xung khi đưa từ encoder Page 23 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc CHƯƠNG V : THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 5.1.Ý tưởng : Dùng máy tính thiết kế giao diện truyền thông số vị trí xuống vi điều khiển, sau đó vi điiều khiển sẽ nhận và xử lí tín hiệu đó rồi cho động cơ chạy đến vị trí định trước 5.2... 1 vào chân A : Q2 đóng lại Q4 mở ra, dòng điện đi từ nguồn qua Q3 qua động cơ đến Q4 về Mass, Q2 và Q5 mở ra - Khi ta kích mức 1 vào chân B : Q3 đóng lại Q5 mở ra, dòng điện đi từ nguồn qua Q2 qua động cơ đến Q5 về Mass, Q3 và Q4 mở ra Page 21 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc - Khi có xung PWM thì Q1 sẽ đóng ngắt liên tục theo xung để điều khiển điện áp trung bình qua động. .. diện và lập trình dùng Visual Basic 6.0 Giao diện giúp người dùng truyền 2 byte chứa vị trí cần đi của vít -me và các thông số về chiều quay a.Giao diện Hình 5.1 Giao diện VB Page 24 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc b.VB code Private Sub cmd1_Click() If cmd1.Caption = "Vitri" Then vitri = Val(txt1.Text) * 199 malenh(0) = 251 bytetosend(0) = vitri And 255 bytetosend(1) = vitri... = True End If End Sub Page 26 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc 5.2.1.Lập trình điều khiển dùng Atmega8 Sau khi nhận vị trí do máy tính gửi xuống lúc này VĐK sẽ cho trục vít -me quay đến đúng vị trí thì dừng Code : #include #include #define thuan PORTC.5 #define nghich PORTC.4 int flag; unsigned int xung,xung1; unsigned int vitri; char m; // External Interrupt... động cơ từ đó điều khiển được tốc độ động cơ Ưu điểm của mạch : - Tránh được hiện tượng trùng dẫn do cùng 1 lúc chỉ có Q2, Q5 hoặc Q3, Q4 đóng mà thôi - Có khả năng hãm : Khi ngưng cấp nguồn do quán tính nên trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.Nếu ta cấp mức 1 hoặc mức 0 vào 2 chân A và B thì sẽ triệt tiêu được suất điện động này Page 22 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai. .. cơ Servo DC Khi đó, động cơ đạt tốc độ Minimum thi tương ứng với tín hiệu PWM là 100% off 0% on và khi động cơ đạt tốc độ Maximum thì tương ứng với tín hiệu 0% off 100% on Tuy nhiên điều này chỉ là lý thuyết, trong thực tế phương pháp PWM không bao giờ đạt con số 100% off 0% on( hoặc 0% off 100% on) mà nó chỉ mang tính gần đúng Page 12 Điều khiển vị trí động cơ DC dùng cơ cấu vit- me bi và đai ốc Hình