Chuyên đề truyền động điện hệ truyền động điện Mentor II sử dụng động cơ bước

Khái niệm Mentor II Mentor II là bộ điều khiển động cơ 1 chiều kĩ thuật số vạn năng,được sử dụng rộng rãi cho hầu hết các ứng dụng điều khiển động cơ 1 chiều,công suất thiết kế từ 7,5 kw

CHƯƠNG I

TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG MENTOR II

1.1. Khái niệm Mentor II

Mentor II là bộ điều khiển động cơ 1 chiều kĩ thuật số vạn năng,được sử dụng rộng rãi cho hầu hết các ứng dụng điều khiển động cơ 1 chiều,công suất thiết kế từ 7,5 kw cho đến 750 kw ; điện áp từ 208 đến 660V.

Mentor II được ứng dụng trong những kỹ thuật tiên tiến có tính linh hoạt cao:

- Sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác và yêu cầu sự tái sinh (máy cuộn, máy vẽ, máy dán giấy, cầu trục…).

- Có bộ vi xử lý công nghiệp điều khiển động cơ điện 1 chiều.

- Phạm vi đầu ra của dòng điện là 25 đến 1850 A.

1

- Mentor II có thể điều khiển tốc độ hoặc mômen động cơ 1 chiều ở chế độ

1 góc phần tư hoặc 4 góc phần tư :

+ Điều khiển 1 góc phần tư là điều khiển động cơ chỉ quay theo chiều thuận.

+ Điều khiển 4 góc phần tư là điều khiển động cơ có đảo chiều quay.

- Những thông số của Mentor II được lựa chọn và thay đổi tại bảng điều khiển hay một giao diện khác thông qua truyền thông nối tiếp.

1.2. Các ưu điểm nổi bật

- Điều khiển tốc độ chính xác đến 0,1% ,đáp ứng nhanh,mômen ổn định.

- Cài đặt các tham số dễ dàng nhờ cấu trúc menu tham số và phần mềm cài đặt Mentorsoft.

- Các đầu vào ra tương tự và số đều có khả năg lập trình linh hoạt.

*Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác :

Tính năng cơ bản:

- Điều khiển góc 1/4 hay 4/4.

- Phản hồi áp/ Tacho/Encoder.

- Sai lệch 0,1% tốc độ khi tải đột biến 100%.

*Bảo vệ mất phản hồi, mất kích từ, mất pha,

- Bảo vệ quá tải động cơ.

- Giao tiếp nối tiếp - RS232/485.

*Dễ dàng mở rộng

- Module MD29 thay thế PLC và các mạch vòng điều chỉnh PID,

- Giao tiếp CT-Net tốc độ cao.

- Bộ điểu khiển kích từ FXM5.

1.4. Các ứng dụng của Mentor II

Mentor II được dùng trong các công nghệ :

- Máy đùn nhựa,cao su.

- Máy bọc dây cáp điện.

- Máy tạo cuộn.

- Máy li tâm đường.

- Dây chuyền cán thép.

- Điều khiển máy cắt,máy CNC.

1.5. Một số bộ điều khiển động cơ DC Mentor II

1.5.1. Bộ điều khiển động cơ DC Mentor II – CONTROL TECHNIQUES

Bộ điều khiển động cơ DC – MENTOR II của hãng CONTROL TECHNIQUES với nền tảng công nghệ tiên tiến và thiết bị hiện đại đã phát triển dòng sản phẩm MENTORII 25-1850A có nhiều tinh năng ưu việt; Uyển chuyển và linh hoạt trong điều khiển.

Một số hình ảnh về dòng sản phẩm Mentor II 25 – 1850A :

Chi tiết về Mentor II của hãng CONTROL TECHNIQUES :

Mentor 2 cung cấp 1 dải năng lượng rộng,nó hoàn toàn có thể lập trình được động cơ 1 chiều với 1 giao diện điều khiển duy nhất.

Ứng dụng đơn giản của nó là thiết lập nhanh cấu hình với biến số nhỏ nhất

nó được thêm Modun MD 29 để cài đặt và điều khiển thong minh động cơ với chất lượng cao.

Đặc điểm của MENTOR II :

- Lựa chọn dải truyền thông rộng

- Môi trường truyền thông được tích hợp sẵn tới PLC và máy chủ

- Sử dụng đầu vào số/tương tự

Thời gian kiểm tra giảm với việc đơn giản hóa bộ điều chỉnh

+Dễ dàng cài đặt thiết bị sử dụng bảng điều khiển chính hoặc thong qua giao diện mạng chuẩn từ 1 máy chủ.

+Tất cả các thao tác điều chỉnh biến số được xây dựng thành cấu trúc các bảng dạng hàm số.

+Cấu hình nhanh,chuẩn có thể sử dụng lên đến 10 máy

- Thiết lập cấu hình nhanh chóng :Việc lập trình cho MENTOR 2 không thể

dễ dàng hơn thế.Thiết kế để khai thác thời gian tối ưu,thiết bị hiển thị 1 cách nhanh chóng,dễ dàng thực hiện các bảng hàm số với 5 nút ở bảng điều khiển.

- Điều khiển tốt hơn : Với thuật toán điều khiển thông minh đưa ra các cải thiện các đặc tính của dòng vòng cho các đáp ứng ở tất cả các tốc độ.Các đặc tínhd của thiết bị cũng được tăng cường với bộ điều khiển PID.

- Thêm nhiều chức năng :

+ Bảng mạch chính được phát triển bằng cách hợp nhất nhiều đặc điểm phụ chuẩn và không gồm các lựa chọn hại cho thiết bị.

+ Tích hợp nhiều seri truyền thông mạng và các bộ điều khiển trường yếu cho các hằng số nguồn ứng dụng (M25-M210).

- Hệ thống : Tất cả các tín hiệu vào tương tự và hầu hết vào số đều được tích hợp MENTOR II là hệ thống thiết bị có tính đa năng và linh hoạt hơn hẳn các thiết bị trước đó.

- Phép đo rộng,truyền thông mạng linh hoạt :

+ Cổng chuẩn RS 485 cho phép MENTOR2 truyền thông trực tiếp tới các

- MENTOR SOFT : Phần mềm dựa trên truyền thông của WINDOWS

- Những mạch điều khiển vi xử lý cơ bản.

- Lập trình bằng các lệnh logic.

- Nâng cao sự chuẩn đoán tự động.

- Phần mềm có thể mở rộng.

- Có thể phát lại lên tới 1.15 x VRMS(Volts Room Mean Square ).

- Bộ giao diện chuẩn - RS232/485.

- Bộ nhớ không bị hủy bỏ với các tham số.

- Bảo vệ dòng điện quá tải.

- Bảo vệ phản hồi tổn hao.

- Bảo vệ mất pha.

- 150% khả năng quá tải trong vòng 30s.

- Giới hạn dòng điện dài.

- Dòng xoáy phần ứng được giới hạn.

Dễ dàng mở rộng :

- Module ứng dụng (MD29).

- Cài thêm dễ dàng trong bộ vi xử lý thứ 2.

- Thiết bị tiết kiệm chi phí để viết ứng dụng cụ thể cho các chương trình không sử dụng PLC hoặc các thiết bị điều khiển đơn lập.

- Chương trình sử dụng DPL (Denver Public Library ) hoặc SYPT tiêu chuân IEC 1131 lồng ghép vào các chương trình tuân thủ theo bậc thang và các khối chức năng lập trình.

- Vị trí điều khiển nhúng vào trục đơn.

Giao diện mạng :

Giao diện CT Net (MD29AN) :

Giao diện mạng Profibus-DP (MD24) :

+ Giao thức mạng tốc độ cao.

+ Hoạt động trên một hệ thống mạng trung.

+ Cấu hình chung dữ liệu sẵn sàng cho Siemens S5 PLC.

Giao diện DeviceNet (MD25) :

+ Giao thức mạng tốc độ cao sử dụng lớp phần cứng CAN.

+ Hoạt động trên một hệ thống mạng trung.

+ Dữ liệu có sẵn EDS.

Giao diện Interbus-S (MDIBS) :

+ Bộ giao diện dễ dàng thích hợp cho mạng truyền thông Interbus – S + Hoạt động như một trạm chủ điều khiển.

+ Tốc độ truyền dữ liệu lên tới 500 kbit/s.

+ Phát hiện được sự mất mát trong mạng.

Mở rộng Module I/O (I/O box) :

+ Kết nối MD29 sử dụng RS485 comms và cung cấp khả năng vào/ra từ xa.

+ 5 tín hiệu analog đầu vào.

+ 3 tín hiệu analog đầu ra.

+ 8 tín hiệu digital đầu vào.

+ 8 tín hiệu digital đầu ra

+ Tín hiệu Digital I/O mở rộng tới 32 đầu vào và 32 đầu ra.

7

+ Mở rộng lên tới 15 cổng I/O có thể điều khiển trên một mối liên kết truyền thông tuần tự.

+ 100 metres (330 feet) độ dài tối đa – Độ dài đường truyền giao tiếp bộ điều khiển cho đông cơ DC (FXM5).

+ Điện áp phần ứng phản hồi từ 220 V tới 600 V DC.

+ Dòng điện phần cảm tới 20 A.

+ 1 pha đầu vào.

+ Điều khiển một nửa hoặc hoàn toàn đầu ra của thyristor.

1.5.2. Bộ điều khiển động cơ DC Mentor II - M210R :

a.Hình ảnh bộ MentorII - M210R :

b Thông số kĩ thuật :

Để điều chỉnh các tham số, bàn phím có năm phím Sử dụng các phím sang trái hoặc sang phải để lựa chọn trong Menu (nhóm chức năng của các tham số) Số trình đơn xuất hiện bên trái của dấu chấm thập phân trong cửa sổ chỉ

số Xem hình sau:

Giao diện của Mentor II

Sử dụng các phím lên hoặc xuống để lựa chọn một tham số từ trình đơn Số các tham số xuất hiện ở bên phải của dấu chấm thập phân trong cửa sổ chỉ số,

và giá trị của tham số lựa chọn xuất hiện trong số lựa chọn xuất hiện trong cửa sổ dữ liệu.

Nhấn phím MODE một lần để truy cập vào giá trị tham số được hiển thị để điều chỉnh Giá trị hiển thị nhanh chóng nếu được phép truy cập.

Sử dụng các phím lên hoặc xuống để điều chỉnh giá trị Để điều chỉnh nhanh chóng, nhấn và giữ một phím.

Nhấn phím MODE một lần nữa để thoát khỏi chế độ điều chỉnh.

Lưu giá trị của tham số sau khi thay đổi, nếu không các giá trị mới sẽ bị mất khi thiết bị điều khiển bị ngắt nguồn Để lưu trữ, đặt Parameter 00 = 1 và nhấn Reset.

Cài đặt bằng bộ điều chỉnh từ xa : Tiến hành tương tự

d Vị trí, ứng dụng :

9

Networking :

Trong luyện gang thép :

Ứng dụng trong các cần cẩu, trục nâng :

11

Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất giấy, sản xuất kính, máy công nghiệp :

1.6. Tìm hiểu Bộ điều khiển động cơ DC Mentor II : 1.6.1. Sơ đồ cấu trúc :

1.6.2. Sơ đồ nguyên lý :

Các hàm điều khiển động cơ 1 chiều là điều khiển tốc độ, mô men và phương hướng quay:

+ Tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng và tỷ lệ nghịch với từ thông.

+ Mô men tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng và từ thông.

+ Hướng quay liên quan đến cực tính của điện áp phần ứng và kích từ.

Sơ đồ nối điện áp phần ứng và kích từ vào MentorII :

15

17

1.6.3. Phương pháp điều khiển tốc độ :

- Để thay đổi tốc độ động cơ 1 chiều ta thay đổi điện áp phần ứng bằng cách điều khiển góc mở của các thyristor.

- Mentor II cho phép người sử dụng điều khiển tự động góc mở của

thyristor; chỉ cần đặt giá trị tốc độ yêu cầu vào và truy nhập các tham số của Mentor II sao cho hệ thống làm việc tối ưu nhất.

- Xem sơ đồ sau:

Hình 1.6.3 : Sơ đồ logic của hệ điều khiển

- Trong sơ đồ trên ta thấy có hai mạch vòng khép kín là mạch vòng tốc độ

và mạch vòng dòng điện:

+ Ở mạch vòng tốc độ, có tín hiệu đặt ở đầu vào, tín hiệu này được sử dụng đặt tốc độ vào điều khiển động cơ Trên Mentor II ta có thể đặt tốc độ bằng biến trở hoặc phần mềm Tín hiệu phản hồi tốc độ được lấy từ máy phát tốc để so sánh với tín hiệu đặt.

+ Ở mạch vòng dòng điện, tín hiệu phản hồi về lấy từ biến dòng ba pha của nguồn điện vào Mentor II.

19

CHƯƠNG II :

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ

BƯỚC

2.1. Giới thiệu chung về hệ điều khiển vị trí dùng động cơ bước :

2.1.1. Giới thiệu về động cơ bước :

a. Khái niệm:

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những

chuyển động cơ học rời rạc Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên

lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.

b. Vai trò, ứng dụng:

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật

số, tự động hóa, vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với những lệnh đưa radưới dạng số, nó chấp hành chính xác Ta cớ thể điều khiển nó quay một góc bất

kỳ, chính xác, dừng lại ở một yị trí nào đó ta muốn Vì yậy nó được ứng dụngnhiều trong tự động hóa và điều khiển số Một số ứng dụng như : máy CNC,máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot

Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao, chuyểnđộng êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng

Hình 2.1.1.b : Hình mẫu một động cơ bước trong thực tế

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ:

Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung chuyểnmạch

Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các năm châm vĩnh cửu

hoăc trong trường hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm bằngvật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quay khá nhanh và với một mộ điềukhiển thích họp cho phép chúng khởi động và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào tamuốn một cách dễ dàng

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giản những hệthống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khitải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiểnvòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảmtốc công suất nhỏ

d. Hoạt động :

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự

và một tần số nhất định

21

Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

e. Ưu, nhược điểm :

f. Một số loại động cơ bước :

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator.

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

- Động cơ bước từ trở biến thiên.

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước lai

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành hai loại:

- Động cơ bước đơn cực.

- Động cơ bước lưỡng cực.

2.1.2. Hệ thống điều khiển động cơ bước:

23

xử lý

Khối chấp hành

Khối hiển thị

Khối cảm biến

Khối nguồn

Hình 2.1.2 : Sơ đồ tổng thể của hệ thống

• Khối nguồn: Lấy AC (hoặc DC) đầu vào từ 5 – 15V chỉnh lưu thành nguồn DCcấp cho khối chấp hành đồng thời biến đổi thành nguồn DC 5V cung cấp chokhối điều khiển, hiển thị, cảm biến

• Khối xử lý: Tiếp nhận thông tin từ khối cảm biến, từ đó xuất tín hiệu điều khiểngửi đến khối hiển thị và khối chấp hành theo các chương trình đã lập sẵn

• Khối chấp hành: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, thực hiện các lệnh điềukhiển do khối xử lý đưa ra để tạo ra sự di chuyển của robot

• Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị các vị trí va chạm tương ứngkhi khối cảm biến có tín hiệu tác động

a. Sơ đồ nguyên lý tổng thể:

Hình 2.1.2.a : Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể

b. Module điều khiển:

• Nhận tín hiệu từ cảm biến qua bộ biến đổi ADC của VDK có chức năng chuyểnđổi từ tín hiệu analog sang digital Điều khiển, xử lý rồi đưa tới khối hiển thị

• Nút ấn và điện trở để tạo ra RESET cho AVR

• Thạch anh tạo dao dộng và các tụ lọc nhiễu

• Thông qua jack mạch nạp để đưa thuật toán điều khiển vào AVR

25

c. Module động cơ:

Trong đồ án này nhóm em sử dụng động cơ đơn cực :

2.2. Tính toán và lựa chọn động cơ, mạch công suất cho hệ tải :

- Lực tải tác động nên tang trống :

Mà Công suất động cơ > Công suất tải do đó:

Pđc.µ> FL v

- Với µ =0,8-0,9 suy ra Pđc > 3,2/0,8 = 4(W)

- Vậy ta chọn động cơ 14hs11-0504s có thông số như sau:

Ip=0,5A Up=10V

2.3. Lập trình Driver :

Yêu cầu : Động cơ đạt những yêu cầu sau :

- Số bước/vòng : S = 360 (nhóm chẵn –nhóm 8)

- Điều khiển nửa bước.

Thuật toán :

Hình 2.3.2 : Điều khiển động cơ quay chiều thuận

Chương trình điều khiển :

Chip type : ATmega8A

AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz

29

Memory model : Small

External RAM size : 0

Data Stack size : 256

} else if(A0==1&&B0==0&&B1==0&& A1==0)

//Kiểm tra có ở vị trí bước 8?

B0=0;

delay_ms(dt);

n=n-1;

}

else if(chieu==1) //Chiều thuận

A0=1;

B1=1;

delay_ms(dt);

35

}

else

if(A0==1&&B0==0&&A1==0&&B1==1) {

else

if(A0==0&&B0==1&&A1==0&& B1==0) {

B0=0;

delay_ms(dt);

n=n-1;

} }

while(1) {;}

}

// State: Bit6=T Bit5=T Bit4=T Bit3=0 Bit2=0 Bit1=0 Bit0=0

PORTC=(0<<PORTC6) | (0<<PORTC5) | (0<<PORTC4) | (0<<PORTC3) | (0<<PORTC2) | (0<<PORTC1) | (0<<PORTC0);

Toán tử logic && và || được sử dụng khi tính toán hai biểu thức để lấy ra một kết quả duy nhất Chúng tương ứng với các toán tử logic AND và OR Kết quả của chúng phụ thuộc vào mối quan hệ của hai đối số:

2.4. Mô phỏng :

Sử dụng chip điều khiển ATMEGA8 : Các chân nhận tín hiệu điều khiển (OUT) là PORTC0, PORTC1, PORTC2, PORTC3, lần lượt gắn với tín hiệu vào các cuộn A0 (A+), A1 (A-), B0 (B+), B1 (B-).

Động cơ mô phỏng : MOTOR-BISTEPPER.