báo cáo seminar về động cơ AC servo: bao gồm cấu tạo, nguyên lí hoạt động, thuật toán của encorder, ứng dụng của động cơ AC servo, báo cáo bài tập lớn với yêu cầu 1 buổi seminar về động cơ AC Servo, thầy Ngô Hà Quang Thịnh, môn học trang bị điệnđiện tử trong máy công nghiệp
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM -*** SEMINAR TRANG BỊ ĐIỆN , ĐIỆN TỬ TRONG MCN GVHD : TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH ĐỀ TÀI : AC SERVO MOTOR LỚP: CK15KSCD TP.HCM, ngày 11 tháng 10 năm 2016 Danh sách nhóm Họ tên MSSV Lê Ngọc Minh 1511977 Trần Ngọc Nhất 1512285 Phạm Trung Dũng 1510573 Huỳnh Minh Nhật 1512289 Lê Phú Khương 1511630 Mục lục Phần I : Sơ lược hệ thống servo Phân II : Nguyên lý hoạt động cấu tạo AC servo motor Phần III : Hệ thống điều khiển Servo Phần IV : Ứng dụng động AC servo Phần V : Tài liệu tham khảo Phần I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG SERVO I Thế hệ thống Servo: “Servo” có nguồn gốc từ từ Latin “servus” có nghĩa nô lệ, người giúp việc Từ phù hợp hệ truyền động servo sử dụng hệ truyền động phụ trợ cho nhiệm vụ thứ cấp biến đổi tốc độ không thường xuyên máy công cụ Ngày nay, hệ thống servo đại sử dụng sử dụng để truyền động ngày nhiều Hệ thống Servo trở thành hệ thống điều khiển phương pháp điều khiển vị trí, tốc độ momen lực Hệ thống Servo có khả điều khiển xác vị trí, tốc độ momen lực nhờ vào hệ thống phản hồi (feedback) từ servomotor từ tải cần điều khiển để hệ thống kịp thời xử lý tín hiệu, loại bỏ sai số từ bên Chính điều tạo khác biệt hệ thống Servo Chìa khóa thành công công nghệ servo nhờ phát triển nhanh chóng công nghệ bán dẫn vi điều khiển đại Mạch tích hợp sâu hệ thống máy tính mạnh mẽ nhớ lớn giúp cho điều khiển kĩ thuật số ngày hiệu quả, mở rộng phạm vi chức hệ truyền động cách đáng kể Hình 1.1: Máy ép nhựa sử dụng hệ thống AC Servo hang EMHEATER Hình 1.2: Các cánh tay robot công nghiệp hang YASKAWA II Cấu trúc hệ thống Servo: Mô hình hoạt động hệ thống Servo: Hình 1.3: Mồ hình hoạt động hệ thống Servo đơn giản Một hệ thống Servo gồm có phần chính: a Máy chủ điều khiển (host controller): - Đây nơi người vận hành điều khiển hệ thống Servo cách chọn cách thức hoạt động nhập thông số kĩ thuật yêu cầu để làm việc vận tốc, vị trí, momen Dữ liệu nhập vào mã hóa dạng điện áp analog gửi tới điều khiển Servopack Đồng thời nơi hệ thống Servo hiển thị liệu hồi tiếp trình hoạt động để người vận hành theo dõi, nắm bắt chỉnh sửa cần - Trong thực tế máy chủ điều khiển Digital Operator/Panel Operator, máy tính cá nhân, PLC, … Hình 1.4: PLC S7-300 hang SIEMENS Hình 1.5: Digital Operator hang YASKAWA b Servopack: Hình 1.6: Một điều khiển Servopack hang YASKAWA - Đây phần tạo nên khác biệt hệ thống Servo so với hệ thống điều khiển khác Tín hiệu điện áp analog từ máy chủ điều khiển chuyển tới so sánh với liệu vận tốc, vị trí, momen hồi tiếp từ encoder resolver servomotor để xử lý Tùy theo phương pháp điều khiển mà tín hiệu đưa digital hay analog Tín hiệu sau xử lý qua module khuếch đại lấy điện từ nguồn để đưa điều khiển servomotor Hình 1.7: Sơ đồ xử lý điều khiển Servopack hang YASKAWA c Động Servo (Servomotor): - Servomotor động tạo chuyện động quay (rotary) tịnh tiến (linear) cho phép điều khiển xác góc quay, vị trí, vận tốc, gia tốc, momen trục quay Servomotor bao gồm động cảm biến hồi tiếp encoder resolver - Servomotor hoạt động nhờ nhận tín hiệu điều khiển xử lý từ Servopack gửi tới, đồng thời phản hồi liệu chuyển động bao gồm vị trí, vận tốc, momen từ encoder Servopack Hình 1.8: Các AC Servomotor Servopack hang YASKAWA Cấu trúc hệ thống Servo thực tế: Hình 1.9: Sơ đồ lắp đặt hệ thống AC Servo hang YASKAWA STEP DC SERVO LỖI VỊ TRÍ Stepper chạy lệch vị trí đứng không thiết kế giới hạn an toàn lớn Servo không mắc lỗi vị trí hệ thống stepper ĐỘ MƯỢT Stepper cần nhảy tốc độ, từ tốc độ quán tính baN đầu, điều gây tượng chạy dừng chuyển động Servo không gây tượng stepper có thiết kế RAS giúp chuyển động mượt ĐỘ ÊM ÁI Torque hãm lớn cách Servo không chổi than hoạt hoạt động stepper tạo động êm stepper nhiều tiếng ồn ĐỘ RUNG LẮC Cùng lý trên, stepper Các thiết kế chế tạo servo hoạt động rung giúp hạn chế nhiều rung lắc CHỊU TẢI Stepper phải điều chỉnh ma Có thể tự động điều chỉnh sát quán tính để làm việc hệ thống để dễ dàng tải hiệu với tải khác TÍNH HIỆU QUẢ >=50% chạy ổn định Servo dùng công suất theo đứng ổn định Công yêu cầu nên hao phí suất hao phí làm stepper nóng lên tải nhẹ SỨC MẠNH Độ tự cảm cặp cực Servo tạo gấp 2-3 lần cao gây giảm torque nhanh lượng so với stepper tốc độ quay tăng kích cỡ So sánh AC SERVO DC SERVO Phần III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SERVO I- Giới thiệu chung điểu khiển servo (Servo Control) 1, Hệ thống điều khiển servo gì? Hệ thống điều khiển servo hệ thống điều khiên quan trọng sử dụng rộng rãi Bất máy hay chi tiết thiết bị có phần quay chứa hay nhiều hệ thống điều khiển servo Nhiệm vụ hệ thống điều khiển bao gồm: - Giữ tốc độ quay ổn định motor với giới hạn định, cho dù tài đầu motor có khả thay đổi biến thiên Thay đổi, điều chỉnh tốc độ quay motor tải dựa vào giá trị mẫu thiết lập người sử dụng Điều họi hiệu chỉnh theo điểm đặt trước (set point) hay điểm mẫu (reference point) 2, Nguyên tắc điều khiển hoạt động động Servo đơn giản Dạng động vơ servo tạo từ động điện (electric motor) với trục quay tải trọng J nó, ma sát sinh động tải trọng (biểu số b) Khi tồn mạch điều khiển có đầu vào mang điện u(t) chuyển đổi nởi động thành moment T(t) đầu truc Sử dụng ý tưởng mô hình cho hệ thống khí mà cân moment liện hệ moment trục quay động moment cần thiết để tăng tốc độ vượt qua ma sát Điều thể phương trình sau: Góc θ thể vị trí trục quay động Đối tượng điều khiển vị trí θ hay tốc độ động đạt đến giá trị mong muốn Giá trị điện đầu vào có liên quan đến Moment T(t) với số gia K hệ số quán tính quy thành số thời gian , J / b Khi biểu thứ có dạng: Trong hệ thống servo thông dụng tồn thành phần khác quan trọng không Phần nhiều số không mang tính chất tuyến tính (nonlinearity) ảnh hưởng nhiều truyền động ma sát cấu khí Trong thành phần phi tuyến tính, quan trọng cần ý bão hòa điện truyền động động cơ, thành phần ma sát Coulomb cấu quay tượng trễ (hysteresis/ backlash) xảy hộp số động tải Một hệ thống điều khiển tốt hệ thống xử lí thành phần phi tuyến tính Tuy nhiên điều nên hiểu thành phần tuyến tính hệ thống servo Nhìn chung, chúng có phương trình chung dạng: K y(s) u ( s) s( s 1) Hàm y(s) ngõ (output) vị trí trục u(s) thành phần ngõ vào (input) động K số gia hệ thống số thời gian Một điều quan trọng hệ thống điều khiển phân tích nói chung đo lường giá trị số gia K số thời gian Để điều trở nên dễ dàng hơn, ta lấy ví dụ hệ thống CE110 Servo Trainer, thiết kế để số gia ngõ vào vị trí động (motor) tốc độ động với số K xấp xỉ tốc độ đo vị trí đo Hằng số thời gian =1,5 Như ta có hàm quan hệ chuyển đỗi tốc độ motor output vị trí trục: Rất nhiều hệ thống điều khiển với công cụ thiết kế để sử dụng với khuôn mẫu hệ thống biểu diễn trạng thái không gian Trong hệ thống servo, trạng thái kể đến output tốc độ vị trí trục Với x1 y = góc vị trí output x v tốc độ góc Cũng viết biểu thức dạng: Cũng lưu ý hệ thống servo với biến khả đo mô hình trạng thái vị trí trục (sử dụng encder hệ thống, ) vận tốc v (sử dụng encoder tốc độ) Các mô hình tuyến tính nêu thiết kế hệ thống điều khiển servo Một “servo” thực sự, tất nhiên, phải có thành phần phi tuyến tính ảnh hưởng đến Thành phần phi tuyến tính phải nói đến ma sát Coulumb thành phần chuyển động vùng chết (dead zone), bão hòa ngõ vào khuếch đại Ví dụ hệ thống Servo Phần trước nói đến hệ thống CE110 Servo Trainer từ nhà sản xuất “TQ Education and Training Ltd” Đó điển hình cho điều khiển hệ thống servo Mang theo đặc điểm liên quan, quan trọng mà dễ dàng nhìn thấy hệ thống servo thực Các hệ thống điều khiển Servo Có nhiều, nhiều kĩ thuật dùng để điều khiển cấu servo Thật nhiều Dưới số kĩ thuật tiêu biểu, điển hình: PID (Proportion + Integrated + Deintegrated) Điều khiển hồi đáp vận tốc (Velocity Feedback Control) Bù dẫn pha (Phase Lead Compensation) Điều khiển hồi đáp trạng thái (State Feedback Control) Điều khiển quan sát trạng thái (State Observer Implementation and Control) Điều chỉnh tuyến tính hàm bậc hai (Linear Quadratic Regulator- LQR) Mỗi phương pháp kể thực thi với giải pháp số (digital) hay liên tục thời gian (contnous time method) dựa vào ánh xạ Z Thêm ta sử dụng thuật điều khiển mờ (Fuzzy control) với biến thể Nhìn chung, ứng dụng kĩ thuật tất nhiên có điểm mạnh vượt qua kĩ thuật khác trường hợp riêng mà chúng sử dụng Vì mà kinh nghiệm thử nghiệm thức tế thiết bị quan trọng Các thiết bị thực tế CE110 Servo Trainer góp phần to lớn việc khám phá khía cạnh khác phương pháp cho ta thấy điều thực xảy với máy sử dụng hệ thống servo cách thức điều khiển khác Thử nghiệm cần thiết tất II- Điểu khiển số Trong phần I- Giới thiệu chung điểu khiển servo (Servo Control) ta nhận thấy lợi ích điều khiển mà hệ thống servo mang lại Trong phần này, ta tìm hiểu kĩ thông số mà hệ thống servo điều khiển, vị (Position) Cấu tạo hệ thống điều khiển vị trí Một hệ thống điều khiển vị trí gồm cảm biến vị trí điều khiển (Controller), sơ đồ khối biểu thị Hình (Figure 1.) Encoder quang học trục Là đĩa suốt với góc vị trí mã hóa số (màu đen), việc đọc đoạn mã cảm biến quang học xác định góc vị trí trục Cụ thể 12bit 16bit encoders sử dụng, mang đến độ xác cao, xấp xỉ “phân giải” khoảng 0,1 deg hay 0,05 deg Tuy nhiên ví dụ chúng ta, ta xét đến encoder quang 4bit, thấy hình: Hình biểu diễn đĩa quang Encoder sử dụng mã Gray (phần màu đen) Mã Gray sử dụng có bit bị thay đổi vị trí liện kề Điều làm giảm khả sai số encoder quay Với bit này, ta lại mã hóa 16bit nhị phân, tương ứng với 16 vị trí, nên độ phân giải 360/16 = 22,5 deg Bảng sau cho ta thấy bit mã Gray thay đổi tương ứng với bit mã nhị phân Chuyển đổi mã Gray sang mã nhị phân Trong CE300, việc chuyển đổi mã Gray sang Binary đơn giản thực thông qua cổng exclusive OR (XOR), biểu diễn hình (Figure 4) Khi đó, phép toán tử logic thực là: Sự tổng hợp ngõ so sánh Mã nhị phân chuyển từ Gray (biểu thị vị trí trục) đưa trực tiếp đến tổng hợp để so sánh với vị trí mẫu mong muốn (position reference) Tín hiệu mẫu thể dạng mã nhị phân bit tạo nên khả 16 mẫu ứng với 16 vị trí mẫu nhập vào Sau cùng, thông qua tổng hợp 4bit, ta có 4bit hình Phép Logic định Trong cấu servo dạng số này, tín hiệu điều khiển tính toán trực tiếp thông qua phép điều khiển logic (ON/OFF hay bang-bang) Figure Khi này, output từ tổng hợp tín hiệu bit nhị phân Q0, Q1, Q2, Q3 Nếu tín hiệu không zero ta mong muốn motor chuyển động Sử dụng cổng OR, ta dễ dàng đạt mục đích này, vậy, output zero tất bits zero Thực thi CE300 Chương trình hoàn chỉnh sử dụng tín hiệu số điều khiển vị trí thể Figure Chương trình này, ta thấy sử tổng hợp phép toán ta nhắc đến phần Phần IV: ỨNG DỤNG CỦA AC SERVOMOTOR Dựa theo vài tài liệu nhóm tham khảo, ứng dụng động AC servo phân loại dựa trên: - Lĩnh vực sử dụng: Máy công cụ, xử lí vật liệu, dược phẩm, máy tự động, chất bán dẫn, bao bì, y khoa, … - Thông số điều khiển: vị trí, vận tốc, momen xoắn Trong với việc điều khiển vị trí ta có: Thao tác theo đường cong liên tục: dùng máy công cụ(bộ phận di chuyển), robot công nghiệp( kiểm soát vị trí theo trục) - Điều khiển vị trí xác cao: dùng thiết bị bán dẫn, máy công cụ,… - Điều khiển vị trí với tần số cao: dùng thiết bị bán dẫn, máy gắn chip,… Với việc điều khiển vận tốc ta có : - Chuyển động xoay có độ ổn định cao: dùng thiết bị bán dẫn, máy công cụ(bộ phận di chuyển, động quay dao phôi),… - Hoạt động đồng : máy đóng gói(hệ thống cung cấp vật liệu), máy cắt vật liệu(hệ thống cung cấp cắt vật liệu), … - Hoạt động điều chỉnh : máy in,… Điều khiển momen xoắn: Máy ép(kẹp), máy công cụ( dừng khẩn cấp), - Một số thiết bị thường thấy có sử dụng động AC servo I Máy tiện CNC CNC viết tắt Computer Numerical Control thuật ngữ hệ thống máy tiện khí điều khiển máy tính, phát triển từ cuối thập niên 1940 - đầu 1950 phòng thí nghiệm Servomechanism học viện MIT Vì máy tiện điều khiển máy tính nên máy tiện CNC có đôi chỗ khác biệt với máy tiện truyền thống là: - - Phần khí: Các bàn gá phôi không truyền chuyển động hệ thống ren mà lắp bi ốc Nhật, có độ xác cao (micromet) Đài dao gá theo chiều dọc ngang , đa dụng gia công sản phẩm có hình dáng phức tạp Phần điện : Động truyền động phải có khả đảo chiều để đảm bảo chi tiết quay chiều( tùy vào trường hợp gia công) - - Không cần người thay đổi tốc độ quay phôi gia công mà máy tự điều chỉnh cho vận tốc tương đối dao bề mặt cần gia công phôi không đổi( người dùng chọn trước) Điểu thực điều khiển( phát tín hiệu cho động ac servo nhận thông số đường kính từ điều chỉnh số vòng quay để đảm bảo vận tốc) Bằng việc sử dụng động AC servo vốn có ưu điểm hoạt động tốt tốc độ cao nên máy CNC thường gây tiếng ồn cho xung quanh Hình 4.1: Máy li tâm a Máy li tâm - - Máy li tâm ứng dụng lực li tâm để tách vật thể có khối lượng riêng khác Các vật dụng quen thuộc máy giặt, máy li tâm dùng sinh học máy li tâm làm giàu urani hay máy dùng thí nghiệm hang không vũ trụ( tạo lực lớn không gian nhỏ nguyên lí máy li tâm rotor xoay quanh trục) Phương pháp ly tâm để tách đồng vị U 235 khỏi U-238 dựa khác lực ly tâm phân tử khí nhẹ nặng Sự tách riêng phương pháp ly tâm thực xy lanh quay Hổn hợp phân tử loại khác vào xy lanh quay tách thành hai dòng Những phân tử nặng bị gạt vùng ngoại biên máy ly tâm chuyển động xuống dọc theo thành ngoài, phân tử nhẹ bị đẩy vào phần trung tâm hướng lên dọc theo trục máy ly tâm Trong phương pháp này, U 238 U 235 đạt tách riêng hoàn toàn cho hỗn hợp khí qua máy liên tục hàng nghìn lần - Trong hàng không vũ trụ máy li tâm dùng để thử sức chịu thành phần máy móc hay thử nghiệm, tập luyện cho phi hành gia Các máy móc thiết bị cần dùng AC servo AC servo cho tốc độ ổn định tốc độ quay nhanh, kiểm soát xác tốc độ đảm bảo an toàn cho phi hành gia b Pick and Place machine - - Dùng công nghiệp chế tạo bảng mạch đòi hỏi xác cao nên động AC servo lựa chọn phù hợp Hình 4.2: Pick and Place machine Các máy chọn cách xác linh kiện đặt chúng vào vị trí đăt biệt Chất hàn đưa vào bảng mạch trước chúng đưa vào máy Một máy đặt linh kiện vào vị trí, chất hàn vốn có tính dính giữ chúng lại bảng mạch chuyển vào lò Tại chất hàn bị nấu chảy, sau làm lạnh hình thành mối hàn vĩnh viễn linh kiện hoàn thành gắn kết bề mặt bảng mạch với linh kiện Tài liệu tham khảo : AC SERVO DRIVES JUNMA SERIES ( phần kỹ thuật sản phầm ) : Elke Laubwald, Servo Control Systems q : DC Sevomechanisms 3: Mark Readman , Servo Control Systems : Digital Sevomechanisms 4: YASKAWA(Sigma-V)(T36-PR)_V2100511 5: Sigma User Manual : https://www.yaskawa.com/pycprd/home : https://en.wikipedia.org ... contactor từ điện trở tiêu thụ lượng từ servomotor phanh Phần II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA AC SERVOMOTOR I Một vài động AC servo thị trường Hình 2.1: AC servo motor YASKAWA Hình 2.2: AC. .. resolver - Servomotor hoạt động nhờ nhận tín hiệu điều khiển xử lý từ Servopack gửi tới, đồng thời phản hồi liệu chuyển động bao gồm vị trí, vận tốc, momen từ encoder Servopack Hình 1.8: Các AC Servomotor. .. Servopack hang YASKAWA c Động Servo (Servomotor) : - Servomotor động tạo chuyện động quay (rotary) tịnh tiến (linear) cho phép điều khiển xác góc quay, vị trí, vận tốc, gia tốc, momen trục quay Servomotor