Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN MƠN: ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN TIỂU LUẬN: NHÓM ĐỀ TÀI: Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bước BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN MƠN: ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN TIỂU LUẬN: NHĨM ĐỀ TÀI: Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bước PHẦN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHỤ LỤC Phần mở đầu I.Lý chọn đề tài 1.Giới thiệu .5 2.Lý chọn đề tài Phần thân I.Khái niệm .7 1.Động bước 2.Phân loại động bước .8 II.Nguyên lý hoạt động 1.Nguyên lý hoạt động 2.Cấu tạo .10 2.1.Động biến từ trở 10 2.2.Động bước đơn cực 12 2.3.Động bước hai cực .13 2.4.Động bước nhiều pha 14 III.Phương pháp điều khiển 15 1.Điều khiển xung 15 2.Điều khiển mạch cầu H .17 3.Điều khiển PLC 22 IV.Ứng dụng động bước 23 PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Giới thiệu Động bước mơ tả động điện không dùng chuyển mạch Cụ thể, mấu động stator, rotor nam châm vĩnh cửu trường hợp động biến từ trở, khối làm vật liệu nhẹ có từ tính Tất mạch đảo phải điều khiển bên điều khiển, đặc biệt, động điều khiển thiết kế để động giữ nguyên vị trí cố định quay đến vị trí Hầu hết động bước chuyển động tần số âm thanh, cho phép chúng quay nhanh, với điều khiển thích hợp, chúng khởi động dừng lại dễ dàng vị trí Trong vài ứng dụng, cần lựa chọn động servo động bước Cả hai loại động xác định vị trí xác, chúng khác số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog Đặc biệt, điều đòi hỏi tắc-cơ để cung cấp tín hiệu hồi tiếp vị trí rotor, số mạch phức tạp để điều khiển sai lệch vị trí mong muốn trí tức thời lúc dòng qua động dao động tắt dần Để lựa chọn động bước động servo, phải xem xét số vấn đề, phụ thuộc vào ứng dụng thực tế Ví dụ, khả trở vị trí vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động bước, đó, khả lặp lại vị trí động servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định tắc cô linh kiện analog khác mạch hồi tiếp Động bước dùng hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản; hệ thống đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, tải trọng thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trị vị trí động bị hệ thống phải nhận diện lại; động servo khơng xảy vấn đề 6 Lý chọn đề tài Trong năm gần động bước sử dụng rộng rãi hệ điều khiển xác Động bước ứng dụng nhiều ngành tự động hóa, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Động bước không quay theo chế thơng thường, chúng quay theo bước, độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tính hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Chính ln tồn vấn đề phát sinh việc điều khiển cách có hiệu động Vì nhóm chúng em chọn đề tài: “ Hệ thống điều khiển tốc độ động bước” Bên cạnh việc sử dụng rộng rãi tài liệu nói động bước Đó khó khăn nhóm làm đề tài Thời gian làm đề tài ngắn kiến thức sinh viên năm ba chưa đủ chuyên sâu nên khơng thể tránh thiếu sót Rất mong bạn giáo viên đóng góp để đề tài phát triển hơn,đầy đủ Chân thành cảm ơn! PHẦN THÂN BÀI I KHÁI NIỆM Động bước Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rơto, có khả cố định rơto vào vị trí cần thiết mà khơng cần phản hồi Động làm việc phải có đổi chiều điện tử dùng chuyển đổi cuộn dây điều khiển động bước với thứ tự tần số theo lệnh cho Góc quay tổng hợp rơto động bước tương ứng xác với số lần chuyển đổi cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc vào tần số chuyển đổi Như trường hợp tổng quát xem động bước với điều khiển đổi chiều điện tử hệ thống điều chỉnh tần số động đồng với khả định vị trí góc xoay rơto, tức cách thay đổi tần số Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đạc biệt hữu hiệu bở thực trung thành lệnh đưa dạng số, hoạc phần tử phụ biiens đổi tín hiệu xung thành tín hiệu điều chế cho hệ thống Động bước ứng dụng nhiều ngành tự động hóa cần độ xác cao Ví dụ điều khiển robot, điều khiển tiêu cự thiết bị quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điều kiển bắt bám mục tiêu khí tài quân sự, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt,điều khiển cấu lái máy bay đặc biệt cơng nghệ máy tính động bước sử dụng loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in Với nhiệm vụ chức nói trên, động bước đòi hỏi u cầu riêng kĩ thuật, ngồi yêu cầu chung: - Có bước chuyển dịch bé - Moment đồng hóa đủ lớn đảm bảo sai số góc nhỏ thực bước chuyển - Khơng tích lũy sai số tăng bước - Tác động nhanh - Làm viecj đảm bảo có cuộn dây điều khiển - Động điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản Phân loại động bước Tùy theo cấu tạo động bước có loại sau: - Chỉ thị hay động lực - Thuận nghịch hay khơng thuận nghịch - Có stato hay nhiều stato - Có hay nhiều cuộn dây điều khiển 9 - Roto phản kháng (khơng có dây quấn)và roto tác dụng (có dây quấn kích thích nam châm vĩnh cửu - Rơto hình đĩa hay rơto mạch in - Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp Nhưng đa số chọn phân loại theo cách dươi Theo nguyên lý hoạt động người ta chia làm ba loại: Động bước có từ trở biến đổi Động bước loại nam châm vĩnh cửu Động bước nhiều pha Vì phân biệt hai loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động nam châm vĩnh cửu dường có nấc bạn dùng tay xoay nhẹ rotor chúng, động biến từ trở dường xoay tự (mặc dù cảm thấy chúng có nấc nhẹ giảm từ tính rotor) Bạn phân biệt hai loại động ohm kế Động biến từ trở thường có mấu, với dây chung, đó, động nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có khơng có nút trung tâm Nút trung tâm dùng động nam châm vĩnh cửu đơn cực Động bước phong phú góc quay Các động quay 90 độ bước, động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ bước Với điều khiển, hầu hết loại động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp chạy chế độ nửa bước, vài - điều khiển điều khiển phân bước nhỏ hay gọi vi bước Đối với động nam châm vĩnh cửu động biến từ trở, mấu động kích, rotor (ở khơng tải) nhảy đến góc cố định sau giữ nguyên góc moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) động II Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động Cấu tạo đơn giản nhất: có ba đơi cực starto hai đôi cực rôto 10 Dây quấn đơi cực 11 có điện rơto vị trí Tiếp theo, đôi cực 11,22 rô to quay góc 15o vị trí Khi ngắt dòng điện dây quấn đơi cực 11 rơ to quay thêm 15o vị trí Hình o 30 o 15 Hình Hình 11 Cấu tạo 2.1 Động biến từ trở Hình Động biến từ trở Cấu tạo động rôto stato chế tạo vật liệu từ Nếu động có ba cuộn dây Được nối hình 1, với mootj dầu nối chung cho tất cuộn dây, động thê chắn động biến từ trở Khi sử dụng dây nối chung ( C ) thường nối vào cực dương nguồn cuộn dây kích theo thứ tự liên tục dấu thập hình rôto động biến từ trở quay 30 độ bước Rơto động có stato có cực, cuộn quấn quanh hai cực đối diện Khi cuộn kích điện, X rôto bị hút vào cực Nếu dòng qua cuộn bị ngắt đóng dòng qua cuộn 2, rôto quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ Y hút vào cực Để quay động cách liên tục, cần cấp điện liên tục luân phiên cho cuộn dây Hình dạng động hình 1, quay 30 độ bước, dùng số rôto số cực stato tối thiểu Sử dụng nhiều cực nhiều cho phép động quay với góc nhỏ Tạo mặt bề mặt cực rôto cách phù hợp cho phép bước nhỏ vài độ Các thơng số tính tốn: ZR: Số rơto 12 ZS: Số stato M: số pha tR = 360o/ ZR :Bước rôto (độ) TS = 360o/ ZS : Bước stato (độ) H = tR / M =| tR - TS | (Độ/bước) RS =360o / H = ZR x M (Bước/ vòng) X = ZS /M : Số stato pha Nếu tần số điều khiển xung f động dịch chuyển bước tương ứng với xung tốc độ động tính: n = 60f/ RS (Vòng/phút) 2 Động bước đơn cực Hình Động bước đơn cực Động bước đơn cực, nam châm vĩnh cửu động hỗn hợp, với 5,6 dây thường quấn sơ đồ hình 2, với đầu nối trung tâm 13 cuộn dây Khi dùng, đầu nối trung tâm thường nối vào cực dương nguồn cấp, hai đầu lại mấu nối đất để đảo chiều từ trường tạo cuộn Sự khác hai loại động nam châm vĩnh cửu đơn cực động hỗn hợp đơn cực khơng thể nói rõ nội dung tóm tắt tài liệu Từ đây, khảo sát động đơn cực, khảo sát động nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự Mấu nằm cực stator, mấu nằm hai cực bên phải bên trái động Rotor nam châm vĩnh cửu với cực, Nam Bắc, xếp xen kẽ vòng tròn Để xử lý góc bước mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng Động 30 độ bước hình thiết kế động nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, động có bước 15 độ 7.5 độ lớn Người ta tạo động nam châm vĩnh cửu với bước 1.8 độ với động hỗn hợp bước nhỏ đạt 3.6 độ đến 1.8 độ, tốt nữa, đạt đến 0.72 độ Động hai cực Hình Động cực Động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp hai cực có cấu trúc khí giống y động đơn cực, hai mấu động nối đơn giản hơn, 14 khơng có đầu trung tâm Vì vậy, thân động đơn giản hơn, mạch điều khiển để đảo cực cặp cực động phức tạp Minh hoạ hình cách nối động cơ, phần rotor giống y hình Mạch điều khiển cho động đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mấu; điều bàn chi tiết phần mạch điều khiển Tóm lại, cầu H cho phép cực nguồn áp đến đầu mấu điều khiển cách độc lập Chú ý dãy giống động nam châm vĩnh cửu đơn cực, mức độ lý thuyết, mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động giống Để phân biệt động nam châm vĩnh cửu hai cực với động dây biến từ trở, đo điện trở cặp dây Chú ý vài động nam châm vĩnh cửu có mấu độc lập, xếp thành Trong bộ, hai mấu nối tiếp với nhau, động hai cực điện cao Nếu chúng nối song song, động hai cực dùng điện thấp Nếu chúng nối tiếp với đầu trung tâm, dùng với động đơn cực điên thấp 2.2.4 Động bước nhiều pha 15 Hình Động nhiều pha Một phận động không phổ biến loại động nam châm vĩnh cửu mà cuộn quấn nối tiếp thành vòng kín hình Thiết kế phổ biến loại sử dụng dây nối pha pha Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho đầu động cơ, động cung cấp moment xoắn lớn so với loại động bước khác kích thước Một vài động pha xử lý cấp cao để có bước 0.72 độ (500 bước vòng).Với động pha quay mười bước vòng bước Ở đây, giống trường hợp động hai cực, đầu nối vào cực dương cực âm hệ thống cấp điện động Chú ý rằng, bước, có đầu thay đổi cực Sự thay đổi làm ngắt điện mấu nối vào đầu (bởi hai đầu mấu có điện cực) áp điện vào mấu trạng thái nghỉ trước Hình dạng động đề nghị hình 4, dãy điều khiển điều khiển động quay vòng Để phân biệt 16 động pha với loại động có dây dẫn chính, cần nhớ rằng, điện trở đầu liên tiếp động pha R, điện trở hai đầu không liên tiếp 1.5R Và cần ghi nhận vài động pha có mấu chia, với 10 đầu dây dẫn Những dây nối thành hình hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm nửa cầu H, nói cách khác mấu điều khiển vòng cầu H đầy đủ Để tránh việc tính tốn lý thuyết với linh kiện điện tử, dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần III Phương pháp điều khiển Điều khiển xung với cuộn (tức cuộn với 3,4 Sơ đồ động bước đặc trưng cuộn dây từ tính Để cho xác, phải trạng thái ngược cấp điện cuộn ngắt ngược lại.tương tự 17 Bảng thật Sơ đồ bước động JA = C.B + C KA = C + C.B JB = C + C.A KB = CA + C Sơ đồ điều khiển xung động bước 18 Mạch cầu H Mạch mô mạch cầu H dùng IC 89C51 điều khiển nút nhấn kết hợp mạch đếm Sau chương trình cho mạch trên: INCLUDE 89C51.MC ORG 0000H SW1 BIT P3.0 19 SW3 BIT P3.2 MAIN: MOV P2,#00H BEGIN: CALL DELAYDAI MOV P1,#01H MOV P1,#00H JNB SW1,THUAN JNB SW3,DUNG LJMP BEGIN DEM: MOV P0,#01H MOV P0,#00H RET RESET: CALL DELAYDAI MOV P1,#01H MOV P1,#00H LJMP NGHICH RET THUAN: 20 MOV R1,#5 CHAY1: MOV P2,#01H CALL DELAYDAI MOV P2,#03H CALL DELAYDAI MOV P2,#02H CALL DELAYDAI MOV P2,#04H CALL DELAYDAI MOV P2,#0CH CALL DELAYDAI MOV P2,#08H CALL DELAYDAI CALL DEM DJNZ R1,CHAY1 CALL RESET NGHICH: MOV R0,#10 CHAY2: 21 MOV P2,#08H CALL DELAYNGAN MOV P2,#0CH CALL DELAYNGAN MOV P2,#04H CALL DELAYNGAN MOV P2,#02H CALL DELAYNGAN MOV P2,#01H CALL DELAYNGAN MOV P2,#08H CALL DELAYNGAN CALL DEM DJNZ R0,CHAY2 DUNG: MOV P2,#00H LJMP BEGIN DELAYDAI: MOV R5,#4 LAP2: MOV R6,#255 22 LAP1: MOV R7,#255 DJNZ R7,$ JNB SW1,THUAN JNB SW3,DUNG LJMP TIEP TIEP: DJNZ R6,LAP1 DJNZ R5,LAP2 RET DELAYNGAN: MOV R2,#1 LAP4: MOV R3,#255 LAP3: MOV R4,#255 DJNZ R4,$ JNB SW1,THUAN JNB SW3,DUNG LJMP TIEP2 TIEP2: DJNZ R3,LAP3 DJNZ R2,LAP4 23 RET END Điều khiển PLC Chúng ta dùng ứng dụng điều khiển động bước PLC hãng Mitsubishi Ngày với phát triển vượt bậc khoa học kĩ thuật, có nhiều loại động đại ứng dụng để điều khiển robot, điều khiển lập trình thiết bị gia cơng cắt gọt Có hai loại động bước động DC ứng dụng nhiều PLC – ED – 4260 để điều khiển tốc độ, chiều quay vị trí Động DC điều khiển quay trái, quay phải, thay đổi tốc độ thời gian điều khiển mong muốn Động bước dùng để điều khiển tốc độ, chiều quay độ phân giải cho đạt giá trị nhỏ nhất, tức điều khiển cho góc/bước nhỏ Tổng số góc quay roto động bước tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Điều khiển động bước với góc quay xác, hiệu suất đạt cao Động quay số vòng chọn trước sau tự dừng hiển thị số vòng quay lên bảng số IV Ứng dụng động bước 24 Động bước ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp Động bước ứng dụng nhiều ngành tự động hóa cần độ xác cao Ví dụ điều khiển robot, điều khiển tiêu cự thiết bị quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điều kiển bắt bám mục tiêu khí tài quân sự, điều khiển lập trình thiết bị gia cơng cắt gọt theo chương trình điều khiển, điều khiển cấu lái máy bay đặc biệt cơng nghệ máy tính động bước sử dụng loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in… Trong vài ứng dụng, cần lựa chọn động servo động bước Cả hai loại động xác định vị trí xác, chúng khác số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog Đặc biệt, điều đòi hỏi tắc-cơ để cung cấp tín hiệu hồi tiếp vị trí rotor, số mạch phức tạp để điều khiển sai lệch vị trí mong muốn trí tức thời lúc dòng qua động dao động tắt dần Để lựa chọn động bước động servo, phải xem xét số vấn đề, phụ thuộc vào ứng dụng thực tế Ví dụ, khả trở vị trí vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động bước, đó, khả lặp lại vị trí động servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định tắc cô linh kiện analog khác mạch hồi tiếp Động bước dùng hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản; hệ thống đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, tải trọng thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trị vị trí động bị hệ thống phải nhận diện lại; động servo khơng xảy vấn đề Đây ưu điểm nhược điểm động bước so với động servo 25 Tài liệu Tham khảo ... thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trị vị trí động bị hệ thống phải nhận diện lại; động servo... nhất, động có bước 15 độ 7.5 độ lớn Người ta tạo động nam châm vĩnh cửu với bước 1.8 độ với động hỗn hợp bước nhỏ đạt 3.6 độ đến 1.8 độ, tốt nữa, đạt đến 0.72 độ Động hai cực Hình Động cực Động. .. thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trị vị trí động bị hệ thống phải nhận diện lại; động servo