Điều khiển động cơ DC

KIẾN THỨC CĂN BẢN Trong buổi học này học viên cần nắm cho được: - Phương pháp thiết kế mạch giao tiếp với PLC trong trường hợp ngõ ra không sử dụng relay.. Hình dáng bên ngoài của động

Bài 11

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

11.1 MỤC ĐÍCH

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ DC ( Motor DC)

- Viết chương điều khiển động cơ DC

- Viết chương trình điều khiển đảo chiều động cơ

- Ứng dụng điều khiển băng truyền cho hệ thống đóng gói trái cây tự động

11.2 KIẾN THỨC CĂN BẢN

Trong buổi học này học viên cần nắm cho được:

- Phương pháp thiết kế mạch giao tiếp với PLC trong trường hợp ngõ ra không sử dụng relay

- Sử dụng các tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm thường hở để điều khiển động cơ

11.3 NỘI DUNG

11.3.1 Động Cơ DC (Hình 11 1)

Hình 11 1 Hình dáng bên ngoài của động cơ DC Động cơ DC được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như: điều khiển tốc độ, điều khiển vị trí, điều khiển chiều quay,…Cấu tạo của động cơ bao gồm stator, roto và cổ góp được trình bày trong Hình 11.2 Để điều khiển động cơ phải có nguồn một chiều cung cấp từ ngoài vào Nhiều động cơ có nguồn cung cấp khác nhau như 6VDC, 12VDC, 24VDC,…

Hình 11.2 Cấu tạo của động cơ DC

Stato

Rôto Stato

Cổ góp và

chổi điện

Trong bài thí nghiệm này, động cơ DC được cấp nguồn VPP=12VDC Tuy nhiên nguồn sẵn có ở ngõ ra PLC là 24VDC Do đó nguồn này không thể cấp trực tiếp cho động cơ mà cần phải hạ áp xuống 12VDC Đối với PLC Siemen có hai loại ngõ ra là relay và transistor Giả sử trong trường hợp này PLC được sử dụng loại có ngõ ra là transistor Do đó cần phải có mạch giao tiếp như Hình 11.3 hoặc Hình 11.4

DR2

QR6

C2383

R19

MOTOR1

1 2 OUT_3

VPP

QR2 C1815

K2 RELAY SPDT 5

3 2 1

4

R24

5K6

VPP

IN3

OUT_3

Hình 11.3 Mạch giao tiếp giữa ngõ ra của PLC với động cơ DC dùng relay

Hình 11.4 Mạch giao tiếp giữa ngõ ra của PLC với động cơ DC dùng transistor

11.3.2 Mạch điều khiển động cở DC

Để điều khiển ON/OFF động cơ DC, người ta thường sử dụng transistor hoặc relay Trong thí nghiệm này, động cơ DC được điều khiển thông qua Relay (Hình 11.3)

- Khi ngõ ra của PLC chưa được tác động, điện thế tại chân B của transistor QR2 là 0V Do đó QR2 ngưng, làm cho transistor QR6 ngưng dẫn và động cơ M không quay Khi ngõ ra của PLC ở trạng thái ON, tác động vào chân B của transitor QR2, làm QR2 dẫn làm QR6 dẫn và relay đóng kín mạch lại, khi đó động cơ M sẽ quay theo một chiều định trước Để tiến hành thí nghiệm điều khiển động cơ DC quay theo một chiều nhất định, học viên kết nối ngõ ra Q0.1 của PLC với tín hiệu IN3 (Hình 11.3) và soạn thảo chương trình như Hình 11.5

Hình 11.5 Chương trình điều khiển động cơ DC quay theo 1 chiều

- Bật I0.0=1, quan sát ngõ ra Q0.1 và độngc cơ Lúc này động cơ quay hay ngưng?

VCC

M

- Bật I0.0=0, quan sát ngõ ra Q0.1 và động cơ Lúc này động cơ quay hay ngưng? Tại sao?

- Bật I0.1=1, quan sát ngõ ra Q0.1 và động cơ Lúc này động cơ quay hay ngưng? Tại sao?

11.3.3 Mạch điều khiển đảo chiều Motor

JP1

MOTOR1 1 2 Q2

C2383

VPP

DR6

MR Q1

C1815

K1

RELAY SPDT

5

3 2 1

4

MR

DR5

K2

RELAY SPDT

5 3

2

1 4 VPP

ML

R4 100

L

R

ML R2 100

Q3

C1815

Q4 C2383

VPP

R1

5K6

R3

5K6

Hình 11.6 Mạch điều khiển động cơ quay theo hai chiều Mạch điều khiển động cơ quay theo hai chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ được mô tả trong Hình 11.6 Nguyên lý hoạt động của mạch tương tự như mạch điều khiển động cơ 1 chiều trong Hình 11.3 Để tiến hành thí nghiệm, học viên kết nối ngõ ra Q0.0 của PLC với tín hiệu R và ngõ ra Q0.1 của PLC với tín hiệu L trong mạch Hình 11.6 Học viên soạn thảo chương trình điều khiển chiều quay của động cơ như Hình 11.7

Hình 11.7 Chương trình điều khiển chiều quay động cơ DC

- Bật I0.0=1, học viên quan sát ngõ ra Q0.0 và động cơ Lúc này động cơ quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ?

- Bật I0.0=0, học viên quan sát ngõ ra Q0.0 và động cơ Lúc này động cơ quay hay ngưng? Tại sao?

- Bật I0.2=1, học viên quan sát ngõ ra Q0.1 và động cơ Lúc này động cơ quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ?

- Bật I0.2=0, học viên quan sát ngõ ra Q0.1 và động cơ Lúc này động cơ quay hay ngưng? Tại sao?

- Bật I0.0=1, học viên qua sát ngõ ra Q0.0 và động cơ Sau đó bật I0.1=1,lúc này động cơ quay hay ngưng?

11.4 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Để điều khiển tốc độ động cơ người ta thường thay đổi điện áp cấp cho nó (Hình

11 8) hoặc sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width

Modulation, xem Hình 11 9) Trong nhiều ứng dụng thực tế, phương pháp PWM

được sử dụng rất nhiều Trong bài giảng này, phương pháp PWM được sử dụng trong PLC để điều khiển tốc độ động cơ

R1 1K

A

-+

MOTOR

VPP

Hình 11 8 Điều khiển tốc độ động cơ sử dụng chiết áp

Q1 NPN BCE

A

-+

MOTOR

R2

1K

VPP

D1

Hình 11 9 Điều khiển động cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

Trong S7-200, lệnh PLS (Pulse output, xem Hình 11 11) được sử dụng để điều

khiển tốc độ động cơ Lệnh này được dùng để kiểm soát một chuỗi xung ở ngõ ra PTO (Pulse train output) và chức năng PWM được đặt ở ngõ ra tốc độ cao là Q0.0 hoặc Q0.1 Điều này có nghĩa là một dây cấp nguồn của động cơ phải được nối với Q0.0 hoặc Q0.1 của S7-200 Dây cấp nguồn còn lại của động cơ có thể đưa lên nguồn DC hoặc xuống mass

Người sử dụng có thể điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi số xung và

độ rộng xung Các giá trị này được lưu trong các biến nhớ đặc biệt SM (Special memory): byte điều khiển (8 bit), đếm xung (32 bit không dấu) và độ rộng xung (16 bit không dấu)

Người sử dụng có thể chọn chu kỳ của tín hiệu ngõ ra từ 50µs-65565µs hoặc từ 2ms

Độ rộng xung >= chu kỳ tín hiệu Ngõ ra PWM luôn ở trạng thái ON, động

cơ chạy 100%

Độ rộng xung/chu kỳ tín hiệu ngõ ra Ảnh hưởng

Độ rộng xung bằng 0 Không có xung PWM ở ngõ ra, tức ngõ

ra bị OFF Chu kỳ nhỏ hơn 2 lần Chu kỳ được gán mặc định là 2

Bảng 11 1 Cycle time

Pul se wi dth

Hình 11 10 Xung PWM

Có hai cách để tạo ra dạng xung PWM ở ngõ ra: cập nhật đồng bộ và cập nhật bất đồng bộ

- Cập nhật đồng bộ: Nếu không có sự thay đổi về chu kỳ, việc cập nhật đồng bộ được thực hiện Và dạng sóng ở ngõ ra xảy ra trên biên của chu kỳ Chính vì thế sự chuyển đổi giữa ON và OFF sẽ mịn hơn (động cơ quay ít giật hơn)

- Cập nhật bất đồng bộ: Độ rộng xung thay đổi trong khi chu kỳ không đổi Tuy nhiên nếu chu kỳ thay đổi, việc cập nhật bất đồng bộ được sử dụng và làm hãm môment của động cơ Do đó người dùng nên sử dụng phương pháp cập nhật đồng

bộ

Thanh ghi điều khiển PWM:

Lệnh PLS sẽ đọc dữ liệu được lưu trong các biến nhớ đặc biệt và dựa vào đó để phát xung tương ứng Biến SMB67 điều khiển PWM0 và SMB77 điều khiển PWM1 Bảng thanh ghi điều khiển mô tả các thanh ghi được dùng để điều khiển hoạt động của PWM

Thanh ghi điều khiển PWM được mô tả trong

không cập nhật, 1: cập nhật)

xung (0: không cập nhật, 1: cập nhật)

không cập nhật, 1: cập nhật)

đếm (0: 1ms; 1: 1µs)

cập nhật không đồng bộ, 1: cập nhật đồng bộ)

PTO (0: hoạt động đơn đoạn, 1: hoạt động đa đoạn)

PTO, 1: PWM)

cấm PWM/PTO, 1: cho phép PWM/PTO)

(1-4.294.967.295)

trình (chỉ dùng cho PTO)

với byte đầu tiên là V0 (chỉ dùng cho PTO)

Bảng 11 2

Bảng 11 3 chỉ ra giá trị tham chiếu byte điều khiển cho PWM

Thanh ghi điều

khiển (dạng Hex)

Phương pháp cập nhật

Đơn vị

chu kỳ

Đếm

xung

Độ rộng

xung

Chu kỳ

kỳ

Được load

kỳ

Được load

kỳ

Được load

Được load

kỳ

Được load

kỳ

Được load

kỳ

Được load

Được load Bảng 11 3

Các bước thiết lập giá trị ban đầu cho PWM:

Người ta khuyến khích người dùng nên sử dụng bit quét đầu tiên (SM0.1) để thiết lập xung ngõ ra ban đầu Sử dụng bit này để gọi một chương trình con ban đầu sẽ rút ngắn được thời gian quét khi thực thi chương trình Bit này chỉ ON ở chu kỳ quét đầu tiên khi có sự chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN Sau đây là để cấu hình ngõ ra xung PWM ở Q0.0 dùng chương trình con để thiết lập các giá trị ban đầu

Bước 1 Cấu hình byte điều khiển bằng cách nạp một trong những giá trị sau đây

là 1ms)

Bước 2 Nạp giá trị chu kỳ vào SMW68

Bước 3 Nạp độ rộng xung cho SMW70

Bước 4 Thực thi lệnh PLS

Bước 5 Nạp một byte điều khiển mới để thay đổi độ rộng xung (chỉ là tùy chọn),

nạp một trong những giá trị sau đây cho SMB67: 16#D2 (µs) hoặc 16#DA (ms)

Chú ý: Trước khi cho phát xung PWM, người lập trình phải đặt ngõ ra cần xuất xung mức 0 ở ngõ ra tương ứng

Lệnh tạo một chuỗi xung ở ngõ ra Ngõ vào cho

phép

Hình 11 11 Lệnh tạo một chuỗi xung ở ngõ ra Học viên thực hiện các bước sau để điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PWM:

- Khởi động Step7 MicroWin

- Mở một chương trình mới và lưu với tên D:\pwm1.mwp

- Soạn thảo chương trình như Hình 11 12

- Biên dịch và download chương trình D:\pwm1.mwp xuống PLC

- Chuyển PLC sang chế độ RUN

- Nhận xét kết quả quan sát được

Chương trình chính

Chương trình con SBR_0

Xung PWM sẽ xuất hiện

(0: ở Q0.0, 1:Q0.1)

Chương trình con SBR_1

Hình 11 12 Chương trình điều khiển tốc độ động cơ DC dùng PWM

11.5 Chương trình điều khiển hệ thống đóng gói trái cây

Học viên thực hiện các bước sau:

- Khởi động Step7 MicroWin

- Mở một chương trình mới và lưu với tên D:\demtraicay.mwp

- Soạn thảo chương trình như Hình 11.13

- Biên dịch và download chương trình D:\demtraicay.mwp xuống PLC

- Chuyển PLC sang chế độ RUN

- Nhận xét kết quả quan sát được

Hình 11.13 Chương trình điều khiển đóng gói trái cây

11.6 BÀI TẬP

11.6.1 Học viên sửa chương trình ở mục 6.4 để điều khiển xung PWM ở ngõ ra Q0.0

11.6.2 Viết một chương trình mới để điều khiển tốc độ động cơ sao cho việc chọn tốc độ từ các ngõ vào I0.1 (motor không chạy), I0.2 (motor chạy với tốc độ 50%) và I0.3 (motor chạy với tốc độ 100%)

11.6.3 Hiện tại băng tải trái cây và băng tải hộp trong chương trình ở mục 11.5 chạy khá nhanh, học viên hãy sửa chương trình lại sao cho tốc độ băng tải chậm lại

11.7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Manual document for Step7 MicroWin 3.2, Siemens energy & automation Inc [2] Nguyễn Hoàng Dũng, Bài giảng PLC, Đại Học Cần Thơ, 2008

[3] Phạm Văn Tấn, Giáo trình PLC, Đại Học Cần Thơ, 2008