BÀI GIẢNG hệ THỐNG cơ điện tử 1

Một định nghĩa khác về cơ điện tử thường hay được nói tới do Harashima, Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996 như sau: “Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ 4

1.1 Các khái niệm cơ bản 4

1.2 Lịch sử và xu thế phát triển 4

1.2.1 Lịch sử phát triển 4

1.2.2 Xu thế phát triển 8

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 10

2.1 Môđun môi trường 10

2.2 Môđun tập hợp 10

2.3 Môđun đo lường 10

2.4 Hệ thống kích truyền động 11

2.5 Môđun truyền thông 11

2.6 Môđun xử lý 11

2.6.1 Đường truyền bus 12

2.6.2 Bộ xử lý trung tâm CPU 13

2.6.3 Bộ nhớ 13

2.7 Môđun phần mềm 13

2.7.1 Ngôn ngữ lập trình 13

2.7.2 Các tập lệnh 14

2.7.3 Lập trình 14

2.8 Môđun giao diện 14

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 15

3.1 Giới thiệu về cảm biến và cơ cấu chấp hành 15

3.1.1 Cảm biến 15

3.1.2 Cơ cấu chấp hành 16

3.2 Đặc tính của cảm biến và cơ cấu chấp hành 17

3.2.1 Dải đo 17

3.2.2 Độ phân giải 17

3.2.3 Độ nhạy 17

3.2.4 Sai số 18

3.2.5 Khả năng lặp lại 18

3.2.6 Vùng chết 18

3.2.7 Tính ổn định 20

3.2.8 Thời gian đáp ứng 20

Trang

3.3 Một số loại cảm biến thường gặp 21

3.3.1 Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay 21

3.3.1.1 Công tắc hành trình 21

3.3.1.2 Tia hồng ngoại 21

3.3.1.3 Các bộ mã hóa quang học 22

3.3.2 Đo lực 23

3.3.3 Cảm biến đo khoảng cách 24

3.4 Cơ cấu chấp hành 26

3.4.1 Các động cơ điện 26

3.4.1.1 Động cơ DC 26

3.4.1.2 Động cơ AC 28

3.4.1.3 Động cơ bước 29

3.4.2 Hệ thống điều khiển khí nén 32

3.4.2.1 Phần tử xử lý và điều khiển 32

3.4.2.1.1 Van đảo chiều 32

3.4.2.1.2 Van chắn 36

3.4.2.1.3 Van tiết lưu: 36

3.4.2.1.4 Van an toàn 38

3.4.2.2 Cơ cấu chấp hành: 38

3.4.2.2.1 Xi lanh 38

3.4.2.2.2 Động cơ khí nén: 39

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC 40

4.1 Giới thiệu PLC 40

4.1.1 Giới thiệu chung 40

4.1.2 Hình dáng bên ngoài 40

4.1.3 Các thành viên họ S7-200 43

4.1.4 Modul mở rộng 45

4.2 Đấu nối PLC và modul mở rộng 48

4.2.1 PLC sử dụng nguồn nuôi một chiều 48

4.2.2 PLC sử dụng nguồn nuôi xoay chiều 50

4.2.3 Đấu nối modul mở rộng 52

4.3 Ngôn ngữ lập trình 56

4.3.1 Cách thực hiện chương trình 56

4.3.2 Cấu trúc chương trình 57

4.3.3 Phương pháp lập trình 58

4.4 Một số lệnh cơ bản 59

4.4.1 Lệnh vào ra 59

4.4.2 Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm 60

4.4.3 Các lệnh logic đại số Boolean 60

4.4.4 Các lệnh tiếp điểm đặc biệt 64

4.4.5 Các lệnh so sánh 65

4.4.6 Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con 67

4.4.7 Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét 69

4.4.8 Các lệnh điều khiển Timer 69

4.4.9 Các lệnh điều khiển Counter 73

4.4.10 Các lênh số học 76

4.4.11 Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh đảo giá trị thanh ghi 80

4.4.12 Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ 84

4.5 Soạn thảo chương trình và chương trình mô phỏng 85

4.5.1 Soạn thảo chương trình 85

4.5.2 Chương trình mô phỏng 85

CHƯƠNG 5: MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 86

5.1 Hệ thống đèn giao thông 86

5.1.1 Mô hình 86

5.1.2 Bảng đầu vào ra 86

5.2 Hệ thống cấp nước 87

5.2.1 Mô hình và nguyên lý hoạt động 87

5.2.2 Bảng đầu vào ra 88

5.3 Máy trộn sơn 88

5.3.1 Mô hình và nguyên lý hoạt động 88

5.3.2 Bảng đầu vào ra 89

5.4 Trộn phối liệu 90

5.4.1 Mô hình và nguyên lý hoạt động 90

5.4.2 Bảng đầu vào, ra 90

5.5 Máy trộn hóa chất 91

5.5.1 Mô hình và nguyên lý hoạt động 91

5.5.2 Bảng đầu vào ra 92

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Các khái niệm cơ bản

Khái niệm Cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric Trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu của mình Yasakawa định nghĩa Cơ điện tử như sau:

“Thuật ngữ mechatronics được tạo thành bởi “mecha” trong mechanics và

“tronics” trong electronics Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng.”

Khái niệm cơ điện tử tiếp tục phát triển sau khi Yasakawa đưa ra định nghĩa đầu tiên Một định nghĩa khác về cơ điện tử thường hay được nói tới do Harashima, Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996 như sau:

“Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp.”

Năm 1997, Shetty và Kolk lại quan niệm:

“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện.”

Và gần đây, Bolton lại đề xuất định nghĩa:

“Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển Nó là sự tích hợp đầy đủ các hệ trên.”

1.2 Lịch sử và xu thế phát triển

1.2.1 Lịch sử phát triển

Quá trình phát triển CĐT trên thế giới chính thức bắt đầu từ năm 1969 với sự

ra đời thuật ngữ Cơ điện tử, sản phẩm CĐT chỉ là sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử Sau đó, với sự phát triển của CNTT, các bộ vi xử lý đã được tích hợp vào hệ thống

Cơ điện tử

Về đào tạo cơ điện tử trên thế giới:

Năm 1983 Viện kỹ thuật Nhật Bản – Singapore đã đưa vào khóa đào tạo kỹ thuật cơ điện tử (mechatronics engineering) chương trình đào tạo 2 năm để đào tạo lại kỹ sư cơ khí

Khóa giảng đầu tiên mang tên “Mechatronics” cho kỹ sư và học viên cao học được thực hiện ở trường đại học Landcaster trong năm 1984/1985 Kể từ đó khóa

đào tạo về Cơ điện tử phát triển mạnh ở tất cả các nước công nghiệp phát triển và đang phát triển

Những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, 4 trường đại học Bách khoa của Singapore có chương trình đào tạo 3 năm chính quy kỹ sư cơ điện tử

Ở Úc cũng đã có các khóa đào tạo và cấp bằng kỹ sư theo chuyên ngành Cơ điện tử từ những năm đầu 90 Tiếp theo không lâu là các trường đại học Curtin và New South Weles

Ở châu Âu, từ năm 1980 đã có các hoạt động có liên quan đến đào tạo Cơ điện tử, nhưng khóa học chính thức về cơ điện tử trong trường đại học thì chỉ bắt đầu từ chương trình một năm Cao học tại trường đại học Katholieke (Bỉ) trong năm

1986 Đến năm 1989 trường này đã mở ngành đào tạo Cơ điện tử

Trong năm 1990 một loạt các trường đại học ở CHLB Đức, Đan Mạch, Hà Lan,…(Châu Âu) đưa Cơ điện tử vào giảng dạy Từ năm 1992 đến 1996 Liên minh châu Âu đã tài trợ thực hiện dự án TEMOUS đưa khóa học Cơ điện tử vào giảng dạy tại các khoa Cơ khí của các trường đại học: TU Brno, CTU, TU Plzeo, University College Dublin, Loughborough University of Technology,…

Các trường đại học ở Anh giảng dạy Cơ điện tử bắt đầu từ trường Lancaster, tiếp theo là trường đại học London, Survey, Dundee, Hull, Brunel, Loughborough, Manchester và Leeds

Ở Bắc Mỹ mặc dù có rất nhiều trường hoạt động trong lĩnh vực Cơ điện tử, nhưng cho đến năm 1995 vẫn chưa xuất hiện những khóa giảng dạy mang tên “Cơ điện tử” Đến nay hầu như các trường đại học kỹ thuật của Mỹ đều đã có khoa này Tính đến năm 1999 trên thế giới đã có khoảng 90 trường đại học và viện nghiên cứu

có đào tạo giảng dạy và nghiên cứu về cơ điện tử

Hình 1.1 Cơ điện tử: sự tích hợp hữu cơ của nhiều ngành khác nhau

Cơ khí

Điện tử

Mô hình hóa

Lý thuyết hệ thống Công nghệ tự động hóa Phần mềm

Trí tuệ nhân tạo

Cơ khí chính xác

Công nghệ thông tin

CƠ ĐIỆN TỬ

Hệ cơ khí thuần túy

Hệ cơ khí với truyền động điện

Hệ cơ khí với đkhiển tự động

Hệ cơ khí với:

+ Điều khiển điện tử tương tự

+ Điều khiển tuần tự

Hệ cơ khí với:

+ Điều khiển liên tục số

+ Điều khiển tuần tự số

Rơle Thủy lực, khí nén, máy khuyếch đại điện

Bộ điều khiển PI 1930

Tranziton 1948 Thyristor 1955

Máy tính số 1955 Máy tính xử lý 1959 Phần mềm thời gian thực 1966 Máy tính 1971

Tự động hóa dựa trên số hóa 1975

Vi điều khiển 1978 Máy tính cá nhân 1980

Tăng dần điều khiển tự động dùng máy tính xử

lý và quá trình thu nhỏ cấu trúc

Gia tăng điều khiển tự động

Tăng dần sự tích hợp giữa các quy trình với máy tính

Động cơ hơi nước 1860 Máy phát điện 1870 Bơm tuần hoàn 1880 Động cơ đốt cháy 1880

Máy đánh chữ Máy công cụ

Máy đánh chữ bằng điện Tuabin hơi nước

Máy bay

Thang máy điều khiển bằng điện

Dụng cụ cắt Robot công nghiệp Nhà máy công nghiệp

Các ổ đĩa

Robot di động

CIM

Ổ đệm từ trường Điều khiển máy tự động

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện, điện tử

1.2.2 Xu thế phát triển

Năm 70 của thế kỷ 20, các sản phẩm cơ điện tử chủ yếu tích hợp phần cơ khí với công nghệ điều khiển trợ lực (servo) tạo nên các sản phẩm như cửa tự động, máy tự động bán hàng, máy ảnh tự động chỉnh tiêu cự (focus) Đến những năm 80, khi công nghệ thông tin được hình thành thì các chip vi xử lý đã được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao các công năng hệ thống Lúc này các máy công cụ điều khiển số và robot đã trở nên hoàn hảo hơn, các ô tô có phần điều khiển số… đã được sử dụng rộng rãi Trong lĩnh vực quân sự, các hệ thống vũ khí thông minh có điều khiển số ra đời và phát triển mạnh mẽ

Vào những năm 90, khi đưa các sản phẩm cơ điện tử vào công nghệ truyền thông đã tạo nên các sản phẩm có khả năng kết nối mạng Cũng trong giai đoạn này, các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành siêu nhỏ được phát triển và ứng dụng trong nhiều sản phẩm như các hệ thống vi cơ điện tử Có thể nói rằng, chức năng của các máy móc và hệ thống cơ kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm (có thể

là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ) trong máy tính của sản phẩm Riêng điều này

đã là một sự khác biệt về chất so với các sản phẩm cơ điện cách đây 25-30 năm

Xu thế phát triển của cơ điện tử là ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, sản phẩm ngày càng "thông minh" hơn đồng thời kích thước cũng ngày càng nhỏ đi

Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đã xác định một số lĩnh vực cơ điện tử chuyên sâu:

- Robot làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, an ninh quốc phòng, một số dây chuyền công nghiệp công nghệ cao

- Các sản phẩm CĐT trong một số lĩnh vực cơ khí trọng điểm như máy công cụ, máy động lực, thiết bị điện-điện tử, cơ khí ôtô và các thiết bị đo lường điều khiển

- Nghiên cứu vi cơ điện tử và nano cơ điện tử

STT Thiết kế truyền thống Thiết kế Cơ điện tử

Điều khiển

Các đại lượng không đo được thay

đổi tùy tiện

Theo dõi đơn giản

Giám sát với chẩn đoán lỗi Khả năng tự học

Bảng 1.2 Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế Cơ điện tử

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ

ĐIỆN TỬ 2.1 Môđun môi trường

Môđun môi trường liên quan đến các thông số bên ngoài như phạm vi nhiệt

độ, các yếu tố tải trọng…sẽ tác động đến hoạt động của sản phẩm đồng bộ Trong các thiết kế tổng thể, các tham số này thiết lập loạt điều kiện biên mà sản phẩm phải tồn tại và hoạt động trong đó

Môđun môi trường hình thành từ điều kiện hoặc các tiêu chuẩn, quy tắc thực

tế và chức năng thực hiện của hệ thống Môđun môi trường vừa đóng vai trò đầu vào, vừa đóng vai trò đầu ra của cả hệ thống buộc hệ thống có các chức năng thực hiện, phục vụ một mục đích cụ thể nào đó

Môđun môi trường không hiện diện trong sản phẩm cơ điện tử, tuy nhiên vì

cơ điện tử liên quan cả đến việc thiết kế sản phẩm nên trong nghiên cứu sản phẩm

cơ điện tử, môđun môi trường cần được quan tâm đúng mức

2.2 Môđun tập hợp

Môđun tập hợp là toàn bộ hệ thống cơ khí, thể hiện kết cấu hình dáng cơ sở các sản phẩm Nó bao gồm chi tiết, cụm cơ khí, trong đó đặc biệt là các khung bệ lắp ráp cho các môđun khác, các chi tiết sử dụng làm vật liên kết, vật trung gian ghép nối…Mỗi một sản phẩm có một cách thể hiện hình dáng khác nhau, liên quan đến mục đích sử dụng sản phẩm Thường các chi tiết thành phần được thiết kế và chế tạo, sau đó được lắp ráp theo bản vẽ lắp ghép Cũng như các sản phẩm cơ khí khác, sản phẩm cơ điện tử cần có một hình dáng mang tính thẩm mỹ

2.3 Môđun đo lường

Môđun đo lường là hệ thống được sử dụng rất phổ biến trong các sản phẩm

cơ điện tử và thường được cấu tạo từ 3 thành phần:

Hình 2.1 Hệ thống đo lường và các thành phần

Cảm biến: Cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinh tại đầu ra của

nó một tín hiệu tương ứng

Gia công tín hiệu: Đây là khâu thu thập, gia công tín hiệu sau các chuyển đổi

sơ cấp Tín hiệu từ cảm biến của một hệ thống đo thường được xử lý theo một phương pháp để phù hợp với giai đoạn hoạt động tiếp theo Tín hiệu có thể được

Hiển thị

Cơ khí

Cảm biến Gia công tín hiêu

Đại lượng đang

được đo

Giá trị đại lượng

khuếch đại lên, loại nhiễu, chỉnh lưu, chuyển đổi từ tín hiệu số sang tương tự và ngược lại…

Hệ thống hiển thị: Nơi tín hiệu ra từ bộ gia công tín hiệu được thể hiện dưới

dạng con số (hiển thị số) hoặc dạng biểu đồ (hiển thị tương tự)

2.4 Hệ thống kích truyền động

Hệ thống kích truyền động là thành phần của sản phẩm cơ điện tử, thực hiện chuyển đổi đầu ra từ môđun xử lý thành các hành động điều khiển trên một máy móc hoặc thiết bị

Phần này sẽ được tìm hiểu kỹ ở chương 3

2.5 Môđun truyền thông

Trong sản xuất, chế tạo với các thiết bị có sự điều khiển, để giữ được nhịp sản xuất giữa các thiết bị, giữa chúng cần có sự trao đổi thông tin Các thiết bị có thể gửi và đọc thông tin theo những cách khác nhau

Sự trao đổi, truyền thông tin, dữ liệu giữa các máy tính tùy theo phạm vi sử dụng được yêu cầu có thể là:

Điều khiển trung tâm: là sử dụng một máy tính trung tâm để điều khiển toàn

bộ dây chuyền Trong trường hợp này, nếu máy tính trung tâm có sự cố, toàn bộ dây chuyền sẽ ngừng hoạt động Đây là dạng điều khiển những năm 1970

Hệ điều khiển phân cấp: Các máy tính thực hiện công việc thường nhật bị

giám sát bởi các máy tính có vai trò quyết định lớn hơn Công việc được chia cho các máy tính theo chức năng của chúng (chuyên môn hóa)

Hệ thống điều khiển phân quyền: Các máy tính được thực hiện công việc

tương tự nhau Trường hợp có sự cố hoặc một máy quá tải, công việc có thể được chuyển sang máy khác Công việc được trải ra tất cả các máy do vậy mỗi máy cần truy cập được tất cả các máy trong hệ thống

2.6 Môđun xử lý

Môđun xử lý, xử lý thông tin do môđun giao diện và môđun đo lường cung cấp Thành phần chính của môđun này là bộ điều khiển Ngày nay các bộ vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong các bộ điều khiển

Tín hiệu số di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác dọc theo đường truyền bus Bus là hệ thống dây nối để truyền dữ liệu từ bộ phận này đến bộ phận khác trong máy tính Nói một cách ví von, bus giống như con đường cao tốc, càng rộng càng truyền được nhiều dữ liệu đi với tốc độ cao

Dữ liệu liên quan đến chức năng xử lý của CPU được truyền bởi đường truyền dữ liệu (data bus) Thông tin về địa chỉ của một vị trí xác định trên bộ nhớ để truy cập các dữ liệu lưu được tải bởi bus địa chỉ (address bus) Những tín hiệu liên quan đến hành động điều khiển được tải bởi bus điều khiển (control bus)

2.6.1 Đường truyền bus

Bus dữ liệu (data bus): Dùng để mang thông tin giữa CPU và bộ nhớ cũng

như giữa CPU và các thiết bị nhập xuất Mỗi dây trong bus truyền một tín hiệu nhị phân 0 hoặc 1 Như vậy một bus 4 dây đang truyền từ 1010 Các bit được truyền như sau:

0 (bit thấp) Dây bus dữ liệu đầu tiên

1 Dây bus dữ liệu thứ 2

0 Dây bus dữ liệu thứ 3

1 (bít cao) Dây bus dữ liệu thứ 4

Kích thước của bus, được hiểu như độ rộng của đường cao tốc, là yếu tố quan trọng quyết định lượng dữ liệu được chuyển đi mỗi lần Ví dụ: bus 4 bit, 8 bit,

16 bit, 32 bit… có thể truyền từng đó dữ liệu một lần

Nếu một bus dữ liệu có chiều dài 4 bit, số lượng các giá trị sẽ là 24 = 16 Bộ

vi xử lý 4 bit ngày nay hay sử dụng cho đồ chơi, máy giặt Loại phổ thông hay dùng cho các hệ điều khiển nhất là loại 8, 16, 32 và 64 bit

Bus địa chỉ (address bus): Thông tin về địa chỉ của một vị trí xác định trên

bộ nhớ Khi một địa chỉ cụ thể được chọn, thì chỉ mỗi vị trí này được mở thông với CPU Hầu hết các máy tính nhỏ có từ 16 đến 32 đường địa chỉ và có khả năng truy xuất 2n vị trí nhớ Một bus địa chỉ 16 bit có khả năng truy xuất 216 = 65536 = 64K vị trí nhớ Một bus địa chỉ 20 bit có khả năng truy xuất 1M vị trí nhớ, một bus địa chỉ

32 bit có khả năng truy xuất đến 4G vị trí nhớ Bộ nhớ càng lớn chứa được nhiều dữ liệu và sử dụng được các chương trình lớn hơn, phức tạp hơn

Bus điều khiển (control bus): là một hỗn hợp các tín hiệu, mỗi một tín hiệu

có một vai trò riêng trong việc điều khiển có trật tự hoạt động của hệ thống Qua bus điều khiển tín hiệu được gởi để đồng bộ các thành phần riêng lẻ

2.6.2 Bộ xử lý trung tâm CPU

CPU quản lý tất cả các hoạt động và thực hiện tất cả các thao tác trên dữ liệu Hầu hết các CPU chỉ bao gồm một tập các mạch logic thực hiện liên tục hai thao tác: tìm nạp lệnh và thực thi lệnh CPU có khả năng hiểu và thực thi các lệnh dựa trên một tập các mã nhị phân, mỗi một mã nhị phân biểu thị một thao tác đơn giản các lệnh này thường là các lệnh số học (cộng, trừ, nhân, chia), các lệnh logic (AND,

OR, NOT…), các lệnh di chuyển dữ liệu hay các lệnh rẽ nhánh được biểu thị bởi một tập các mã nhị phân và được gọi là tập lệnh

2.6.3 Bộ nhớ

Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ chứa các dữ liệu vĩnh viễn

Các con ROM được lập trình trong lúc các mạch này được chế tạo Các dữ liệu chỉ

có thể đọc được và sử dụng cho các chương trình cố định

Bộ nhớ EPROM (Erasable and Programable): Các chip sử dụng loại bộ nhớ

này có thể xóa và lập trình lại được

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu

nhiên, nó có nhiệm vụ lưu dữ liệu tạm thời đang thực hiện, nó có thể đọc và ghi dữ liệu vào Toàn bộ dữ liệu của bộ nhớ RAM sẽ bị mất nếu mất nguồn cung cấp điện

2.7 Môđun phần mềm

Các môđun phần mềm được xây dựng trên cơ sở sử dụng các ngôn ngữ lập trình để lập thuật toán phù hợp theo nhiệm vụ của các thiết bị ngoại vi được điều khiển Mục đích sao cho bộ xử lý hiểu, sau đó xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp mục tiêu đề ra Để môđun phần mềm tương thích với bộ vi xử lý, chúng ta phải tương thích với mô hình lập trình của CPU tương ứng

2.7.1 Ngôn ngữ lập trình

Các thông tin vào buộc bộ vi xử lý thực hiện một hành động cụ thể được gọi

là các lệnh (instruction), tập hợp các lệnh mà bộ vi xử lý nhận biết gọi là bộ lệnh (instruction set) Dạng thức của bộ lệnh phụ thuộc vào bộ vi xử lý có liên quan Loạt các lệnh cần thiết để thực hiện một công việc cụ thể nào đó ta gọi là một chương trình (program)

Bộ xử lý làm việc với hệ nhị phân Các chương trình viết theo hệ nhị phân được gọi là mã máy Viết chương trình theo dạng này đòi hỏi kỹ thật cao và thường

bị mắc lỗi nhiều Một ngôn ngữ thường được sử dụng là hợp ngữ (Assembly language) Tuy nhiên trình hợp ngữ vẫn phải chuyển thành mã máy nếu muốn bộ xử

lý hiểu được chương trình trên Sự chuyển đổi này có thể thực hiện thủ công khi sử dụng tài liệu của nhà sản xuất Tuy nhiên, thường có các chương trình máy tính thực hiện chuyển đổi này gọi là chương trình dịch hợp ngữ (assembler programs) Bên

cạnh đó ta còn dùng các ngôn ngữ bậc cao để lập trình như: BASIC, C, C++, FORTRAN, PASCAL…Tất cả những ngôn ngữ này đều phải chuyển sang ngôn ngữ máy thì bộ vi xử lý mới có thể sử dụng được

- Chuyển đổi lưu đồ thuật toán thành câu lệnh mà bộ xử lý có thể thực hiện Tức là viết các câu lệnh theo ngôn ngữ lập trình

- Chạy thử và sửa lỗi chương trình

2.8 Môđun giao diện

Môđun giao diện là một phần quan trọng trong hệ thống Cơ điện tử Các thiết

bị ngoại vi (bộ cảm biến, bảng điều khiển) thường không được nối trực tiếp với hệ thống vi xử lý do thiếu tương thích về mức và dạng tín hiệu Do vậy cần phải có một mạch ghép nối gọi là mạch giao diện để nối thiết bị ngoại vi và bộ vi xử lý

Hình 2.2 Giao diện

Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

3.1 Giới thiệu về cảm biến và cơ cấu chấp hành

Cảm biến và cơ cấu chấp hành là hai thành phần cơ bản của mọi hệ cơ điện

tử Một hệ cơ điện tử điển hình như trên hình 3.1 gồm một khối cảm biến, một khối điều khiển và một khối cơ cấu chấp hành

Khối cảm biến cĩ thể đơn giản là một cảm biến đơn lẻ hoặc cĩ thể gồm các thành phần bổ sung như bộ lọc, bộ khuếch đại, bộ điều chế và các bộ biến đổi tín hiệu khác

Khối điều khiển nhận thơng tin từ khối cảm biến, đưa ra quyết định dựa trên thuật tốn điều khiển và các lệnh tới khối cơ cấu chấp hành

Khối cơ cấu chấp hành bao gồm cơ cấu chấp hành cĩ thể thêm một bộ nguồn

và một cơ cấu ghép nối

Hình 3.1 Hệ Cơ điện tử thường gặp

3.1.1 Cảm biến

Cảm biến là một thiết bị mà khi cĩ một hiện tượng vật lý tác động vào (nhiệt

độ, lực, ánh sáng,…) sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra (điện, cơ học, từ,…) tỷ lệ

Cảm biến được phân loại thành 2 dạng tương tự hoặc số dựa trên dạng tín hiệu đầu ra Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số cần đo

và cần sự biến đổi tương tự thành số trước khi chuyển cho bộ điều khiển số Trong khi đĩ, cảm biến số cung cấp đầu ra số cĩ thể trực tiếp ghép nối với bộ điều khiển

số

Một số loại cảm biến thường gặp:

 Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay

Khố i cả m biế n

Khố i cơ cấ u chấ p hà nh

BỘ ĐIỀ U KHIỂ N

HỆ THỐ NG ĐƯỢC ĐIỀ U KHIỂ N

 Cảm biến gia tốc

 Cảm biến lực

 Cảm biến đo mômen và công suất

 Cảm biến lưu lượng

Việc chọn cảm biến thỏa mãn tất cả các đặc tính kỹ thuật trên là không thực

tế Ví dụ việc tìm cảm biến vị trí với độ phân giải m trong khoảng một mét gần như không đáp ứng được với hầu hết các loại cảm biến Do vậy tùy theo hệ Cơ điện

tử thiết kế mà ta lựa chọn cảm biến cho phù hợp

Khi các hệ số chức năng trên được thỏa mãn, người ta có thể đưa ra một danh sách cảm biến Sự lựa chọn cuối cùng sẽ phụ thuộc vào kích cỡ, độ tin cậy, độ bền vững, khả năng bảo dưỡng và giá thành cảm biến

3.1.2 Cơ cấu chấp hành

Về cơ bản, các cơ cấu chấp hành là phần phía sau một hệ cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển (hầu hết là dạng tín hiệu điện) và gây ra một sự thay đổi trong hệ vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy…Thông thường các cơ cấu chấp hành được sử dụng kết hợp với nguồn nuôi và một cơ cấu ghép nối như trên

hình 3.2

Hình 3.2 Thiết bị chấp hành thông thường

Chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tham số cần đo Dải

đo thường được quy định bởi nhà sản xuất cảm biến

bộ dải đầu vào Các cảm biến có đặc tính phi tuyến thì có độ nhạy tăng hoặc giảm

khi đầu vào thay đổi như hình 3.3

Hình 3.3 Độ nhạy của cảm biến

3.2.4 Sai số

Sai số là độ sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào Có hai loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống có ở tất cả các phép đo được thực hiện với cảm biến Các dạng của sai số hệ thống:

 Sai số lệch không: là dạng phổ biến của sai số hệ thống khi giá trị đầu ra

khác không với đầu vào bằng không

 Sai số tải: do thêm cảm biến vào hệ đo làm thay đổi hệ

 Sai số do độ nhạy của cảm biến thay đổi không giống như mong muốn

3.2.5 Khả năng lặp lại

Khả năng lặp lại là khả năng thu được đầu ra giống nhau với đầu vào giống nhau của một cảm biến Sai số ngẫu nhiên làm giảm khả năng lặp lại Sai số ngẫu nhiên có thể khắc phục bằng cách lấy trung bình của một số phép đo Nhiễu cũng làm giảm khả năng lặp lại

3.2.6 Vùng chết

Vùng chết là một vùng đầu vào gần điểm không mà đầu ra vẫn giữ giá trị

không Khi đầu vào dịch ra khỏi vùng chết thì đầu ra sẽ thay đổi theo đầu vào (hình 3.4)

Hình 3.4 Vùng chết

Vùng chết thường được dùng trong bộ ổn nhiệt gia đình và các bộ điều khiển quá trình

Hình 3.5 Vùng chết của bộ ổn nhiêt

Ví dụ về bộ ổn nhiệt gia đình được mô tả trên hình 3.5

Khi nhiệt độ đạt điểm đặt (giá trị mong muốn) trên bộ ổn nhiệt, đầu ra vẫn giữ trạng thái tắt Ngay khi nhiệt độ trong phòng tăng lên tới giá trị điểm đặt cộng một nửa giá trị vùng chết thì đầu ra hệ thống làm mát sẽ bật hoàn toàn

Khi phòng lạnh đi, đầu ra sẽ giữ trạng thái bật đến khi nhiệt độ trong phòng đạt điểm đặt trừ đi một nửa giá trị vùng chết, đầu ra hệ thống làm lạnh sẽ tắt hoàn toàn

tắt

3.2.7 Tính ổn định

Thuật ngữ tính ổn định có nhiều định nghĩa và cách dùng khác nhau nhưng định nghĩa phổ biến nhất là định nghĩa liên quan đến cân bằng Một hệ cân bằng sẽ giữ được trạng thái không đổi khi không có nhiễu tác động Một hệ ổn định sẽ trở lại trạng thái cân bằng nếu có nhiễu nhỏ làm dịch chuyển hệ thống khỏi trạng thái ban đầu Một hệ không ổn định sẽ không trở lại vị trí cân bằng và thường dịch chuyển xa vị trí cân bằng

Hình 3.6 Tính ổn định của hệ thống

Hình 3.6 cho thấy ba điều kiện ổn định với một hệ đơn giản gồm: quả bóng

và đồi Trong mỗi trường hợp, vị trí cân bằng được xác định dễ dàng – trên đỉnh đồi hoặc dưới đáy Trong trường hợp ổn định, một dịch chuyển nhỏ của quả bóng ra khỏi vị trí cân bằng, nó sẽ quay trở về vị trí cân bằng, có thể sau một vài dao động Trong trường hợp thứ ba, trường hợp không có ma sát làm quả bóng dao động liên tục quanh vị trí cân bằng sau khi có một chuyển động nhỏ Trường hợp đặc biệt này gọi là biên ổn định do hệ thống không bao giờ thực sự trở lại vị trí cân bằng

Hầu hết các cảm biến và cơ cấu chấp hành vốn đã ổn định Tuy nhiên, việc thêm các hệ điều khiển chủ động có thể làm hệ các thiết bị ổn định trở thành không

ổn định Cần phân tích và kiểm tra cẩn thận để đảm bảo rằng một hệ cơ điện tử hoạt động trong trạng thái ổn định

3.2.8 Thời gian đáp ứng

Là thời gian trễ giữa đầu vào và đầu ra Cảm biến càng tốt thì thời gian đáp ứng càng nhỏ

3.2.9 Nhiệt độ hoạt động

Là khoảng nhiệt độ mà tại đó cảm biến còn có thể hoạt động được

Không ổn định Ổn định Biên giới ổn định

Có ma sát Không ma sát

3.3 Một số loại cảm biến thường gặp

3.3.1 Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay

Hầu hết các chuyển động phổ biến nhất trong các hệ thống cơ khí là chuyển động thằng dọc theo một trục cố định và quay một góc quanh trục cố định Những chuyển động phức tạp hơn thường được tạo ra bởi việc kết hợp những chuyển động đơn giản đó Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu tóm tắt một số công nghệ sẵn có

để đo các chuyển động thẳng và chuyển động quay quanh một trục

3.3.1.1 Công tắc hành trình

Loại đơn giản nhất của cảm biến dịch chuyển là một công tắc hành trình, nó gởi trả một bit thông tin: chạm hoặc không chạm Một công tắc hành trình điển hình bao gồm một đòn bẩy, khi nó được tác động nó sẽ tạo ra một tiếp xúc cơ khí bên

trong công tắc, từ đó tạo ra một mạch điện kín (hình 3.7) Có thể sử dụng công tắc

này như là những cảm biến va chạm

Hình 3.7 Công tắc hình trình

3.3.1.2 Tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại có thể được sử dụng để đo các dịch chuyển thẳng hoặc dịch chuyển quay Thông thường các điôt phát tia hồng ngoại (LED) hoặc là đèn phát quang (Thiết bị phát) được dùng như một nguồn phát sáng và một thiết bị cảm nhận hồng ngoại được dùng để phát hiện tia sáng (thiết bị thu)

Nếu thiết bị phát và thiết bị thu đặt đối diện nhau thì chúng có thể được sử dụng như một bộ ngắt tia để phát hiện bất kỳ vật gì đi qua chúng Thiết bị này được

gọi là thiết bị ngắt quang (hình 3.8)

Hình 3.8 Bộ ngắt quang dẫn QVA11234

Nếu thiết bị phát và thu di chuyển tự do theo đường thẳng nối chúng, thì cường độ của tín hiệu nhận được có thể được sử dụng để đo khoảng cách giữa chúng Tuy nhiên thiết bị thu tia hồng ngoại cũng có thể nhạy cảm với cả ánh sáng của môi trường xung quanh Do vậy trong quá trình thiết kế ta phải để ý đến hiện tượng này để làm cho cảm biến chống nhiễu một cách tốt nhất

Một bộ phát sáng và bộ dò đặt cùng hướng về một phía có thể đo thô khoảng cách tới một bề mặt gần đó nhờ cường độ của tia phản xạ sau khi va vào bề mặt

Thiết bị đó được gọi là thiết bị phản xạ quang (hình 3.9) Một cảm biến như vậy có

thể được dùng cho các robot di động để phát hiện các vật cản ở một khoảng cách cho trước

Hình 3.9 Cảm biến phản xạ quang bán dẫn QRB1114

Các thiết bị ngắt quang và các thiết bị phản xạ quang có thể được đóng gói sẵn hoặc chế tạo riêng biệt từ một LED hồng ngoại và một điôt quang hoặc tranzito quang, sau khi chắc chắn rằng thiết bị thu nhạy cảm với bước sóng sinh ra bởi LED phát hồng ngoại

3.3.1.3 Các bộ mã hóa quang học

Một bộ mã hóa quang sử dụng một bộ ngắt quang để biến chuyển động thành một chuỗi xung điện Những chuỗi xung này “mã hóa” chuyển động và các xung được đếm hoặc “được giải mã” bởi một mạch điện để đưa ra số đo dịch chuyển Chuyển động có thể là thẳng hoặc quay, nhưng chúng ta tập trung vào các bộ mã hóa quang quay thông thường

Có hai bộ mã hóa quang quay cơ bản là: mã hóa tương đối và bộ mã hóa tuyệt đối Trong bộ mã hóa tương đối, một đĩa (đĩa chia vạch) được gắn vào một trục quay tròn giữa hai bộ ngắt quang học (hình 3.10) Vì vậy khi trục quay thì các vạch này sẽ ngăn hoặc cho tia sáng hồng ngoại tới thiết bị dò quang học Các dãy xung thu được từ các bộ dò này có tần số tương ứng với vận tốc góc của đĩa Những

tín hiệu này được ký hiệu là A và B Hai tín hiệu A và B này lệch pha nhau ¼ chu

kỳ

Hình 3.10 Bộ mã hóa tương đối

Thông qua việc đếm số lượng các xung và số lượng các vạch trên đĩa đã biết,

ta có thể đo được tốc độ quay của trục Hướng quay được xác định dựa trên quan hệ pha của các chuỗi xung A và B Ví dụ A tăng khi B = 1 ta có thể nói rằng chuyển động của đĩa là chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ Ngược lại A tăng khi

B = 0 thì chuyển động của đĩa là chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ

3.3.2 Đo lực

Lực là một đại lượng vectơ, được định nghĩa như là tác nhân gây ra gia tốc hoặc phản ứng cụ thể của một vật Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu các phương pháp được ứng dụng để xác định độ lớn của những lực này

Nhận xét chung: Nếu các lực tác dụng lên một vật mà không sinh ra gia tốc, chúng phải có một dạng hệ lực cân bằng Hệ này được xem như là một hệ cân bằng tĩnh Các lực tác dụng lên vật có thể chia làm hai loại: nội lực do các phần tử riêng biệt của vật tác dụng lẫn nhau và ngoại lực

Hình 3.11 Vật bị kéo dọc trục (a), nén dọc trục (b), biến dạng (c)

Trong kỹ thuật đo hiện có, một nhóm được gọi là cảm biến tải Nhìn chung cảm biến tải gồm một khung cứng, một môi trường để đo các lực đặt vào và một đầu đo Các cảm biến tải được sử dụng để đo các lực lớn, tĩnh hoặc biến thiên chậm với độ lệch rất ít và tương đối chính xác Có thể áp dụng các phương pháp khác

nhau để đo các lực tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến tải Ví dụ hình 3.12 minh

họa cảm biến tải thủy lực Cảm biến tải dùng để đo các lực tương đối lớn với giá thành thấp Cảm biến tải thủy lực dùng một khung rất cứng với một khoang trong chứa đầy chất lỏng Khi có tải, áp lực của dầu tăng, và một đầu đo chính xác sẽ đọc giá trị này

Hình 3.12 Cảm biến tải thủy lực

3.3.3 Cảm biến đo khoảng cách

Cảm biến này được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham chiếu tới một đối tượng Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển các loại cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng và siêu âm Cảm biến đo khoảng cách có thể được phân làm hai loại: Tiếp xúc và không tiếp xúc Ta chủ yếu đề cập đến loại không tiếp xúc

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách thực từ điểm tham chiếu tới một đối tượng không qua tiếp xúc vật lý Có thể được phân làm hai loại là: chủ động (phát một số dạng năng lượng vào khu vực cần quan tâm) và bị động (dựa trên năng lượng phát ra từ các đối tượng trong khu vực quan tâm)

Với các loại cảm biến chủ động (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc không chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tượng:

 Diện tích tiết diện ngang: xác định lượng năng lượng phát ra tác động

vào đối tượng

 Hệ số phản xạ: xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ so với

lượng năng lượng bị hấp thụ hoặc xuyên qua

 Độ tập trung: xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ

Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên hiện tượng truyền sóng Sóng được phát ra tại một điểm tham chiếu, khoảng cách được xác định bằng cách đo thời gian truyền từ điểm tham chiếu tới vật hoặc suy giảm của cường độ khi sóng truyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu Thời gian truyền sóng thường

được đo bằng phương pháp thời gian truyền (TOF_Time of flight)

Phương pháp thời gian truyền:

Phương pháp thời gian truyền được minh họa trong hình 3.13 và 3.14 Một

bộ phát sóng (phát ra vài chu kỳ) được phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí gần bộ phát Bộ phát và bộ thu có thể được tích hợp trên cùng một cảm biến Bộ thu cũng có thể được gắn trên vật TOF là thời gian từ khi bắt đầu phát đến khi có tín hiệu trả về Khoảng cách được xác định bằng công thức d = c.TOF/2 (khi bộ phát và

bộ thu ở cùng một vị trí ) và d = c.TOF (khi bộ thu được gắn trên vật)

Hình 3.13 Sóng được phát và phản xạ lại từ vật

Hình 3.14 Đĩnh nghĩa thời gian truyền sóng

Độ chính xác của phương pháp này có thể được tăng lên bằng phương pháp

dò biên độ cực đại (hình 3.15)

Hình 3.15 TOF tính theo biên độ lớn nhất của tín hiệu phản xạ

Sai số của phương pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau:

 Sự thay đổi tốc độ truyền sóng: đặc biệt là với các hệ thống âm thanh

ta phải chú ý tới sự thay đổi này Vì tốc độ âm thanh chịu ảnh hưởng

rõ rệt của nhiệt độ và độ ẩm

 Không xác định được chính xác thời gian đến của xung phản xạ

 Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền

 Sự tương tác của sóng tới bề mặt đối tượng cần đo khoảng cách: Khi

ánh sáng, âm thanh hoặc sóng radio tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo được chỉ thể hiện một phần nhỏ của tín hiệu ban đầu Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau và có thể được hấp thụ hoặc xuyên qua đối tượng, phụ thuộc vào đặc tính đối tượng

Hình 3.16 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều

Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 3.16b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

n =



E

u u

a Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng

Khi mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, điện trở Rư tăng lên đặc tính

cơ dốc xuống, tốc độ động cơ giảm dần Do dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ

b Thay đổi điện áp U

Dùng nguồn điện một chiều để điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều

c Thay đổi từ thông

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ

Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp với các phương pháp trên Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều

p

f

n1 60 Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn rôto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay theo chiều với từ trường quay với tốc độ n

Để minh họa, ta xét từ trường quay B của stato đang quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ n1 (hình 3.11)

Khi xác định chiều sức điện động

cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn

cứ vào chiều chuyển động tương đối của

thanh dẫn với từ trường Nếu coi từ

trường đứng yên, thì chiều chuyển động

tương đối của thanh dẫn ngược với chiều

n1, từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải

xác định được chiều sức điện động như

hình vẽ

Chiều lực điện từ xác định theo

quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay

Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1 Khi roto quay định mức s = 0,02

đồng hồ Nhưng do quán tính và cực Bắc

stato quét qua nó quá nhanh, trong khi nó

chưa quay tới thì sau nữa chu kỳ nó đã đối

diện với cực Nam stato và bị đẩy lùi, nghĩa là

rôto có xu hướng quay theo chiều ngược

lại Kết quả là moment (mở máy) trung bình

bằng không và rôto không quay được

Tuy nhiên nếu chúng ta quay trước

rôto với tốc độ đồng bộ các cực từ rôto bị

“khóa chặt” vào cực từ stato trái dấu Khi

không tải, từ trường stato và rôto cùng quay

với tốc độ đồng bộ n1 và trục của chúng

trùng nhau (  = 0) Lúc có tải trục từ trường

rôto đi chậm sau trục từ trường stato một góc  , tải càng nặng góc  càng lớn, nhưng cả hai vẫn cùng quay với tốc độ đồng bộ n1

3.4.1.3 Động cơ bước

a Giới thiệu về động cơ bước

Động cơ bước cơ bản là một động cơ điện không có bộ phận đảo mạch (chổi than) Thông thường động cơ bước có nhiều hơn 2 cuộn dây đóng vai trò stator (phần tĩnh) Rotor (phần động) vẫn là một nam châm vĩnh cửu hoặc là những khối có răng (khía) làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính (trường hợp động cơ bước biến từ trở) Sự đảo mạch cho dòng điện trong cuộn dây được thực hiện bằng mạch điện điều khiển bên ngoài Thông thường, mạch điều khiển này còn

Hình 3.12 Sự tạo ra momen trong

động cơ đồng bộ

có thêm chức năng điều khiển động cơ quay tới, lui hoặc giữ nguyên vị trí xác định

Hình 3.17 Phân biệt động cơ bước và động cơ điện thông thường

Hình 3.18 Cấu tạo bên trong động cơ bước

Hình 3.19 Hình dáng bên ngoài của động cơ bước

Động cơ bước thuộc loại động cơ đồng bộ, chúng không thể quay tự do, liên tục mà hoạt động theo nguyên lý quay từng “bước”, mỗi bước động cơ sẽ quay được một góc (ví dụ 1,80/bước) Một vòng quay của nó gồm nhiều bước nối tiếp nhau Khi kết hợp với mạch điều khiển bên ngoài, chúng có thể quay đến

và dừng lại tại một vị trí xác định một cách chính xác

b Các loại động cơ bước

Dựa vào cấu tạo, ta có ba loại động cơ bước chính là: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ bước biến từ trở và động cơ bước hỗn hợp (động cơ lai) Ngoài ra còn có cách phân loại dựa vào mạch điều khiển như động cơ bước đơn cực, lưỡng cực

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu, không chia thành nhiều răng, cũng có nhiều cuộn dây như loại biến từ trở Có hai loại thông dụng là động cơ bước đơn cực (còn gọi là độc cực – unipolar) và lưỡng cực (bipolar)

Động cơ bước biến từ trở:

Động cơ bước biến từ trở (hay còn gọi là động cơ bước phản kháng) không dùng nam châm vĩnh cửu để làm rotor mà dùng một khối có răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Phần stator là 3 đến 5 cuộn dây được nối chung với nhau

Hình 3.21 Động cơ bước hỗn hợp

Như ta thấy trong hình, rotor của động cơ bước hỗn hợp gồm hai đĩa bố trí

so le nhau Mỗi đĩa có nhiều răng ứng với các cực

3.4.2.1.1 Van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén

a Ký hiệu của van đảo chiều

Van đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2

Tác động bằng khí nén:

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào

Trực tiếp bằng dòng khí nén ra

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với

đường kính 2 đầu nòng van khác nhau

Gián tiếp bằng dòng khí nén vào qua

van phụ trợ

Tác động bằng cơ

Đầu dò

Cữ chặn bằng con lăn, tác động 2 chiều

Cữ chặn bằng con lăn, tác động 1 chiều

Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

Tác động bằng nam châm điện

Trực tiếp

Bằng nam châm điện và van phụ trợ

Tác động theo cách hướng dẫn cụ thể

c Van đảo chiều có vị trí ‘không’

Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo lên nòng

van và ký hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay bằng điện Khi chưa có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong

ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘không’ nằm ở giữa

Ví dụ: Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện

Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1 Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn Khi cuộn

Y có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R Khi cuộn Y mất điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu

d Van đảo chiều không có vị trí ‘không’

Khi không có tín hiệu tác động lên đầu nòng van nữa, thì vị trí của van vẫn được giữ nguyên đợi tín hiệu tác động từ phía nòng van đối diện Vị trí tác động ký hiệu a , b, c, …

Tín hiệu tác động có thể là:

- Tác động bằng tay hay bàn đạp

- Tác động bằng dòng khí nén điều khiển vào hay ra từ 2 phía nòng van

- tác động trực tiềp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua van phụ trợ

Ví dụ: Van đảo chiều 3/2 tác động bằng nam châm điện

Khi cuộn Y1 có điện thì cửa P nối với cửa A, cửa R bị chặn Khi cuộn Y2 có điện thì cửa A nối với cửa R còn cửa P bị chặn

3.4.2.1.2 Van chắn

Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều còn lại bị chặn Van chắn gồm có các loại sau:

- Van 1 chiều

- Van Logic OR

- Van Logic AND

- Van xả khí nhanh

Van một chiều

Van một chiều có tác dụng chỉ cho

dòng khí nén đi qua một chiều (từ A qua

B), chiều ngược lại bị chặn

Van logic OR

Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì

cửa P2 bị chặn và cửa P1 nối với cửa A

Ngược lại khi dòng khí nén vào P2 thì cửa

P1 bị chặn, cửa P2 nối với cửa A

Van logic AND

Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1

bị chặn, và ngược lại khi có dòng khí nén

vào P2 thì P2 bị chặn Chỉ khi nào cả P1 và

P2 có dòng khí nén vào thì mới có khí nén

qua cửa A

Van xả khí nhanh

Khi dòng khí nén vào cửa P, chắn

cửa R, cửa P nối với cửa A Khi dòng khí

nén vào từ A, cửa P bị chặn, cửa A nối với

cửa R, khí được xả nhanh ra ngoài

3.4.2.1.3 Van tiết lưu:

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi vận tốc của cơ cấu chấp hành

A

P2

P1

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không

thay đổi, do đó lưu lượng dòng chảy không

thay đổi

Van tiết lưu có tiết diện thay đổi:

Lưu lượng dòng chảy qua van thay

đổi được nhờ vào một vít điều chỉnh làm

thay đổi tiết diện của khe hở

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh

bằng tay:

Tiết diện Az thay đổi bằng cách điều

chỉnh vít bằng tay Khi dòng khí nén từ A

sang B, lò xo đẩy màng chắn và dòng khí nén

chỉ qua tiết diên Az Khi dòng khí nén từ B

sang A, màng chắn bị đẩy lên và dòng khí đi

qua khoảng hở giữa màng chắn và mặt tựa

màng chắn, lưu lượng không được điều

chỉnh

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh

bằng cữ chặn:

Nguyên lý hoạt động tương tự như

van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay

Dòng khí nén chỉ có thể đi một chiều từ A

sang B, tùy vào vị trí của cữ chặn mà tiết

diện của khe hở của van thay đổi, làm cho

lưu lượng dòng chảy thay đổi

3.4.2.1.4 Van an toàn

Van an toàn

Bình thường khi áp suất nhỏ hơn

hoặc bằng áp suất cho phép, cửa R bị

chặn, nhưng khi áp suất lớn hơn áp suất

cho phép, cửa R mở ra, khí nén từ cửa P

theo cửa R thoát ra ngoài

3.4.2.2 Cơ cấu chấp hành:

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén)

3.4.2.2.1 Xi lanh

Xilanh tác dụng đơn (xilanh tác

Áp suất khí nén được dẫn vào 2

phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển

mà xilanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc

vào áp lực khí nén vào phía nào

3.4.2.2.2 Động cơ khí nén:

Động cơ khí nén có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của khí nén thành năng lượng cơ học (chuyển động quay)

Động cơ khí nén có những ưu điểm sau:

- Điều chỉnh được momen quay và số vòng quay

- Số vòng quay cao và điều chỉnh vô cấp

- Không hư hỏng khi quá tải

- Giá thành bảo dưỡng thấp

a Động cơ quay một chiều

b Động cơ quay hai chiều

Hình 3.22 Ký hiệu động cơ khí nén

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC

4.1 Giới thiệu PLC

4.1.1 Giới thiệu chung

PLC viết tắt của Programmable Logic Controllers Là thiết bị điều khiển

logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp

và cồng kềnh); khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ, khả năng tạo lập gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ

Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp:

 Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng

 Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được

 Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình

4.1.2 Hình dáng bên ngoài