Nghiên cứu các chế độ làm việc của động cơ servo hãng yaskawa

LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng xây dựng phát triển đất nước bước thời kỳ cơng nghiệp hố-hiện đại hoá với hội thuận lợi khó khăn thách thức lớn Điều đặt cho hệ trẻ, người chủ tương lai đất nước nhiệm vụ nặng nề Đất nước cần sức lực trí tuệ lịng nhiệt huyết trí thức trẻ, có kỹ sư tương lai Với phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực điện - điện tử - tự động hóa tin học nói riêng làm cho mặt xã hội thay đổi ngày Trong Điều khiển chuyển động lĩnh vực đa dạng phát triển nhanh ngành điều khiển tự động hố Trong hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ moment yêu cầu xác cao cần đến thiết bị đáp ứng Đây thách thức nhà khoa học, nhà sản xuất chế tạo loại động thể làm nhiệm vụ động servo Ngày hệ thống servo ứng dụng rộng rãi hệ thống, máy yêu cầu xác cao Đối với trường học việc tìm hiểu động servo hạn chế nên em muốn tìm hiểu để hiểu động Vì thời gian nghiên cứu điều kiện thực hạn chế nên chắn không tránh sai sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến từ quý thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực đề tài Trần Thị Hoa i NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ……… …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi nước Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG ĐỘNG CƠ SERVO 1.1.Cấu tạo chung động servo 1.1.1 Cấu tạo động servo 1.1.2 Động AC - Servo 1.2 Chức servo SGDM_020ADA hãng YASKAWA 1.2.1 Chức servo motor 1.2.2 Chức điều khiển động servo 1.2.3.Tên chức tín hiệu I / O Servo Driver Chương CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 14 2.1 Các chế độ điều khiển 14 2.1.1 Điều khiển vận tốc 14 2.1.2 Điều khiển mômen 14 2.1.3 Điều khiển vị trí 15 2.2 Phương pháp kết nối hệ thống điều khiển vị trí động Servo 16 2.2.1 Kết nối phần cứng 16 2.2.2 Phần mềm điều khiển cho PLC 18 iv Chương THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO 21 3.1 Bố trí thực nghiệm 21 3.2 Kết thực nghiệm 22 3.3 Nhận xét kết 24 KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 : Chức tín hiệu đầu vào Servo Driver Bảng 1.2 : Chức tín hiệu đầu Servo Driver 12 Bảng 2.1:Tên chức tín hiệu I/O chương trình điều khiển 20 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Động servo điều khiển Hình:1.2 Cấu tạo động servo Hình 1.3: Cấu trúc Servo AC đồng Hình 1.4 : Encoder Hình 1.5: Máy cắt bao bì Hình 1.6: Máy đóng gói Hình 1.7: Máy kéo dây Hình 1.8: Bộ điều khiển Servo SGDM Hình 2.1: Chế độ điều khiển tốc độ 14 Hình 2.2: Chế độ điều khiển momen 15 Hình 2.3: Chế độ điều khiển vị trí 16 Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động Servo 16 Hình 2.5 : Sơ đồ dây hệ thống điều khiển vị trí động Servo 17 Hình 2.6 : Sơ đồ thuật tốn hệ thống điều khiển vị trí động Servo 18 Hình 2.7 : Chương trình điều khiển hệ thống điều khiển vị trí động Servo 19 Hình 3.1: Kết nối mạch điều khiển Servo Driver 21 Hình 3.2: Động Servo kết nối cáp 21 Hình 3.3 : Tủ điện hồn thành ghép nối hệ thống cấp điện 22 Hình 3.4: Đặt giá trị điều khiển vị trí hình máy tính 23 vii PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tình hình nghiên cứu nước ngồi nước Từ xưa chưa có phát minh động cơ, lúc chủ yếu sử dụng máy móc chạy xăng dầu cấu tạo phức tạp nặng nề, cồng kềnh mà lại không hiệu suất, gây tiếng ồn Từ động phát minh đưa vào sử dụng, thay cho máy móc chạy xăng dầu đem lại hiệu kinh tế cao Động không ngừng phát triển đa dạng nhiều chức khác nhau, ví dụ động chiều, động xoay chiều, động không đồng bộ, động đồng bộ, động pha, động ba pha tất lĩnh vực Ngày lĩnh vực có sử dụng động servo, sản phẩm động Ac–Servo sản xuất nhiều, nhiều hãng YASKAWA, PANASONIC, OMRON, FANUC, với nhiều loại Ac–Servo dùng vào nhiều mục đích khác Như nhà máy xí nghiệp phương tiện lao động như: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, cánh tay robot Cơ cấu servo sử dụng máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị tự động tàu thuyền máy bay, hệ thống điều khiển súng phịng khơng Những hệ thống điều khiển bay máy bay, sử dụng servo để phát động bề mặt điều khiển máy bay, mơ hình điều khiển radio sử dụng RC servo với mục đích Nhiều máy ảnh tự động lấy nét sử dụng cấu servo để di chuyển ống kính cách xác Một ổ đĩa cứng có hệ thống servo từ tính với độ định vị xác đến Ở nước ngồi, thiết bị điều khiển vị trí phản hồi động lái tàu, sử dụng để xác định vị trí bánh lái tàu lớn dựa vị trí vơ lăng tàu John McFarlane Grey người tiên phong lĩnh vực Thiết kế cấp sáng chế ông sử dụng tàu SS Great Eastern vào năm 1866.Các cấu servo điện sử dụng sớm vào năm 1888 máy truyền điện chữ viết Elisha Gray Hải quân Hoàng gia Anh bắt đầu thử nghiệm điều khiển công suất từ xa (RPC) HMS Champion vào năm 1928 bắt đầu sử dụng RPC để điều khiển đèn pha rọi máy bay địch đầu thập niên 1930 Trong Thế chiến thứ II, RPC sử dụng để điều khiển giá pháo thiết bị thị mục tiêu cho pháo Các sản phẩm làm từ máy có sử dụng động servo thường có độ xác cao mẫu mã đẹp động servo sử dụng nhiều ngành tự động hóa nói chung ngành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất máy gia cơng xác nói riêng Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nêu chế độ làm việc động Servo hãng Yaskawa - Tiến hành thực nghiệm, kiểm tra chế độ điều khiển vị trí động Servo Nội dung nghiên cứu - Cấu tạo chức động Servo - Các chế độ làm việc động Servo - Thực nghiệm điều khiển vị trí động Servo Đối tượng nghiên cứu - Động servo hãng Yaskawa Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo, tra cứu thông tin từ tài liệu khoa học - Tìm hiểu hệ thống băng truyền hệ thống băng truyền, gia cơng khí - Sử dụng thiết bị có sẵn làm mơ hình - Lập trình mơ máy tính - Kiểm tra chạy thử phòng thực hành nhà trường PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương1 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG ĐỘNG CƠ SERVO 1.1.Cấu tạo chung động servo 1.1.1 Cấu tạo động servo Động servo cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần điện-từ gồm phần (phần cảm phần ứng) Động servo có hình dáng dài, có cấu trúc rotor nhỏ so với động thường có cơng suất momen Sở dĩ có khác biệt chế tạo động servo có yêu cầu độ xác cao, động hoạt động phải đảm bảo cho momen qn tính dừng nhỏ Hình 1.1: Động servo điều khiển Điểm bật động servo có tích hợp cấu feedback sẵn động Động điều khiển chu trình kín, từ tín hiệu hồi tiếp vị trí / tốc độ hệ thống điều khiển số điều khiển động Vì động có thêm phận cảm biến để thơng báo tốc độ vị trí động cơ, cảm biến encoder  Tín hiệu đầu Bảng 1.2 : Chức tín hiệu đầu Servo Driver Tên tín hiệu chân ALM+ 31 ALM- 32 Chức Báo động servo: TẮT phát thấy lỗi Phát xoay động servo: Phát TGON+ 27 động servo quay tốc độ cao cài đặt tốc TGON- 28 độ động Tốc độ phát thiết lập cách sử dụng tham số Chung /S-RDY+ 29 /S-RDY 30 PAO 33 /PAO 34 PBO 35 /PBO 36 Sẵn sàng servo: BẬT khơng có báo động servo nguồn điện điều khiển / nguồn mạch BẬT Tín hiệu pha-A Tín hiệu pha-B Tín hiệu đầu pha xung (pha A B) tín hiệu xung số không (pha C): RS-422 tương đương (Bộ thu dịng thích hợp SN75175 PCO 19 /PCO 20 Tín hiệu pha-C Texas Instruments sản xuất tương đương tương ứng với MC3486) Với mã hóa tuyệt đối: Xuất PSO 48 /PSO 49 Tín hiệu pha-S liệu nối tiếp tương ứng với số vòng quay (RS-422 tương đương) Tốc độ ALO1 37 ALO2 38 ALO3 39 FG Shell /V-CMP+ 25 Tốc độ trùng hợp ngẫu nhiên (đầu Chế /V-CMP- 26 độ điều khiển tốc độ): Phát xem tốc độ Ngõ mã cảnh báo: Xuất mã cảnh báo bit Bộ thu mở: tối đa 30 V 20 Ma Đã kết nối với khung mặt đất dây bảo vệ cáp tín hiệu I / O kết nối với vỏ kết nối 12 động có nằm phạm vi cài đặt hay khơng khớp với giá trị tốc độ tham chiếu Định vị hoàn thành (đầu Chế độ điều Vị trí /COIN+ 25 /COIN- 26 khiển vị trí): BẬT số xung lỗi vị trí đạt đến giá trị đặt Cài đặt số xung lỗi vị trí đặt đơn vị tham chiếu (đơn vị xung đầu vào xác định thiết bị điện tử) Thiết bị đầu cuối dành riêng Các chức /CLT phân bổ cho / TGON, / S-RDY / V- /VLT /BK - /WARN Đặt trước CMP (/ COIN) thay đổi cách sử dụng tham số Tín hiệu / CLT, / VLT, / BK, / WARN / NEAR thay /NEAR đổi 16 17 - 23 24 Thiết bị đầu cuối không sử dụng Không kết nối rơle với cực 50 *Lưu ý: Số chân dấu ngoặc đơn () biểu thị tín hiệu Các chức phân bổ cho / TGON, / S-RDY / V-CMP (/ COIN) thay đổi cách sử dụng tham số Tín hiệu / CLT, / VLT, / BK, / WARN / NEAR thay đổi 13 Chương CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ SERVO 2.1 Các chế độ điều khiển 2.1.1 Điều khiển vận tốc Tốc độ hiểu vận tốc chiều quay động servo Khi động servo tăng tốc giảm tốc, mã hóa xung vịng quay gửi vận tốc chiều quay thực tế tới điều khiển động servo gửi trực tiếp tới điều khiển chuyển động Mạch vòng tốc độ so sánh tốc độ đặt với tốc độ tại; dựa vào sai số tốc độ thông số chỉnh mạch vòng, điều khiển động tự động điều chỉnh vận tốc động theo thời gian thực để đạt yêu cầu ứng dụng Theo cách này, động servo thực theo thông số cài đặt điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, động servo truyền động cho cấu có trọng lượng lớn, động khó để giảm tốc Trong trường hợp này, động tăng mô men nghịch để dừng tải khoảng thời gian khoảng cách theo yêu cầu ứng dụng Hình 2.1: Chế độ điều khiển tốc độ 2.1.2 Điều khiển mômen Mô men động Servo lực tạo từ chuyển động quay rotor động Mơ men tạo tỷ lệ thuận với dịng điện hiệu dụng chạy cuộn dây stator động Dịng hiệu dụng cao, mơ men sinh lớn Bộ điều khiển động servo đo trị số dòng hiệu dụng chạy cuộn dây stator dùng phản hồi giá trị để tự động điều chỉnh dòng điện động theo thời gian thực nhằm đáp ứng 14 yêu cầu mô men ứng dụng Mạch vịng dịng điện đơi hiểu mạch vịng mơ men Bộ mã hóa xung vịng quay gửi tín hiệu phản hồi vị trí động Sai số nhận sử dụng để điều chỉnh động đến vị trí Do quán tính nên động chuyển động vượt vị trí chuẩn chút, sai số vị trí dùng để điều chỉnh động vị trí Hình 2.2: Chế độ điều khiển momen 2.1.3 Điều khiển vị trí Vị trí hiểu vị trí góc tuyệt đối trục động servo vài trường hợp, vị trí thiết bị truyền động động servo Khi động servo thay đổi vị trí, mã hóa xung vịng quay động servo gửi phản hồi vị trí thực tế trục động tới điều khiển động servo gửi tín hiệu trực tiếp tới điều khiển chuyển động Mạch vịng vị trí tiến hành so sánh vị trí đặt vị trí thực tế; từ sai số nhận thông số chỉnh mạch vòng, điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí.Theo cách này, động servo thực xác theo thông số đặt trước điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, thiết bị truyền động động servo trở nên khó di chuyển, điều khiển động servo điều khiển tăng mô men sinh và/hoặc điều 15 khiển động vận hành khoảng thời gian lâu để đạt vị trí mong muốn bất chấp ma sát cấu truyền động Hình 2.3: Chế độ điều khiển vị trí 2.2 Phương pháp kết nối hệ thống điều khiển vị trí động Servo 2.2.1 Kết nối phần cứng Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động Servo 16 Hình 2.5 : Sơ đồ dây hệ thống điều khiển vị trí động Servo Trong đó: Chân 8: Cấp xung từ PLC xuống Chân 7-11: ( Số xung → vòng quay Tần số phát xung → tốc độ quay) Chân 12: Thay đổi chiều servo Y5: Servo on Y0 : Phát xung điều khiển servo Y1 : Đảo chiều động COM0 : Lệnh phát xung tốc độ cao( tần số tự đặt phát xung để điều khiển vị trí) COM1 : Đảo chiều Servo  Nguyên lý hoạt động : - Khi đóng Start( X2 ) → Y5 có điện → Cấp tín hiệu cho chân 40 Servo để động vị trí ON 17 - Nếu muốn động quay góc 90º (theo chiều kim đồng hồ) → Nhấn nút X0, lúc xung phát từ cổng Y0 PLC đến chân Servo - Nếu muốn động quay góc 90º (theo chiều ngược kim đồng hồ) → Nhấn nút X1, lúc xung phát từ cổng Y0 PLC đến chân 12 Servo - Trường hợp muốn quay tiếp tục 90º theo chiều trước tiếp tục ấn nút xác định ban đầu 2.2.2 Phần mềm điều khiển cho PLC GX Developer phần mềm lập trình phổ biến với dịng PLC Mitsubishi, cung cấp đầy đủ cơng cụ để lập trình cách thuận tiện, giao diện đơn giản dễ sử dụng Cho nên đồ án khóa luận tốt nghiệp em sử dụng phần mềm để điều khiển cho PLC  Sơ đồ thuật tốn: Hình 2.6 : Sơ đồ thuật toán hệ thống điều khiển vị trí động Servo 18 Chương trình điều khiển: Hình 2.7 : Chương trình điều khiển hệ thống điều khiển vị trí động Servo 19 Bảng 2.1: Tên chức tín hiệu I/O chương trình điều khiển In Out X2: Khởi động servo Y05: Servo ON X3: Chế độ dừng Y0: Đầu servo quay thuận X4: Chế độ dừng khẩn cấp Y1: Đầu servo quay nghịch X0: Tín hiệu vào servo quay thuận M0: Rơle trung gian quay thuận X1: Tín hiệu vào servo quay nghịch M1: Rơle trung gian quay nghịch  Giải thích chương trình: -19600 xung ứng với vịng quay servo - Nhấn X2, có tín hiệu servo on - Nhấn X0, di chuyển giá trị 4900 (tương đương ¼ vịng) vào ghi D0 (tần số xung) Đồng thời di chuyển giá trị 19600 vào ghi D10 ( số xung) - Tương tự nhấn X1, di chuyển giá trị vào D1 D11 - SET M0 đếm xung tốc độ cao kích hoạt, phát xung đầu cho motor quay thuận, mà D0 D10 MOV (lệnh di chuyển) - Khi nhấn X0 SET Y0, motor quay thuận - Tương tự, SET M1 đếm xung tốc độ cao kích hoạt, phát xung đầu cho motor quay nghịch, D1 D11 MOV - Nhấn X1 SET Y1, motor quay nghịch - Sau phát hết xung cờ M8029 phát tín hiệu để RESET cho M0 M1 cho lần làm việc sau 20 Chương THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO 3.1 Bố trí thực nghiệm - Kết nối phần cứng Servo Driver gồm hệ thống nguồn cấp vào xoay chiều pha 220V AC; nguồn cấp cho mạch điều khiển; nguồn cấp xoay chiều cho động từ Servo Driver ra; dây tín hiệu từ encoder; dây tín hiệu từ PLC tới Servo Driver 1- Nguồn cấp vào xoay chiều pha 220V AC; 2- Nguồn cấp cho mạch điều khiển; 3- Nguồn cấp xoay chiều cho động từ Servo Driver; 4- Dây tín hiệu từ encoder; 5- Dây tín hiệu từ PLC tới Servo Driver Hình 3.1: Kết nối mạch điều khiển Servo Driver - Kết nối cáp Encoder cáp động lực nối từ Servo Driver tới động Servo 1- Cáp Encoder; - Cáp động lực Hình 3.2: Động Servo kết nối cáp 21 - Sau ghép nối hoàn chỉnh, điều khiển động lắp tủ động lực dây chuyền xẻ gỗ tự động (hình 3.3) Hình 3.3 : Tủ điện hoàn thành ghép nối hệ thống cấp điện 3.2 Kết thực nghiệm Giao diện khởi động để điều khiển vị trí biểu thị (hình 3.4 ) Nhập giá trị vị trí cần dịch chuyển vào “Set Value“ để hệ thống xử lý đo vị trí theo yêu cầu Nhấn OK để hệ thống hoạt động, động quay góc tương ứng với lượng dịch chuyển bàn máy (có gắn gỗ) mà chúng tu nhập hình máy tính tương ứng với chiều dày ván xẻ 22 Hình 3.4: Đặt giá trị điều khiển vị trí hình máy tính 23 3.3 Nhận xét kết Thực nghiệm với giá trị điều khiển vị trí khác Tương đương với giá trị đặt hệ thống cho kết phù hợp với giá trị đặt Khi đặt vị trí cho động hình máy tính bán gỗ dịch chuyển khoảng cách xác với giá trị vị trí đặt sẵn 24 KẾT LUẬN  Kết luận Đề tài nêu phân tích chế độ làm việc động Servo hãng YASKAWA Đề tài xây dựng chương trình điều khiển PLC thử nghiệm chế độ điều khiển vị trí động Servo Thực nghiệm với giá trị điều khiển vị trí khác Tương đương với giá trị đặt hệ thống cho kết phù hợp với giá trị Khi đặt vị trí cho động hình máy tính bàn máy gắn gỗ dịch chuyển khoảng cách xác với giá trị vị trí đặt sẵn 25 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Giáo trình PLC, Lâm Quỳnh Trang – Lê Trọng Hiền – Nguyễn Minh Trung – Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2006, NXB Khoa học kỹ thuật Động servo - Biên dịch: Lâm Quỳnh Trang - Lê Trọng Hiền- Nguyễn Minh Trung – Đoàn Hiệp, năm 2002, Đại học Bách Khoa TPHCM – Chương trình PFIEV Sổ tay hướng dẫn lập trình plc Tiềng Anh: Yaskawa-Sigma-II-User-Manual ... AC -Servo dựa tảng động ba pha lồng sóc, động DC dựa tảng động điện chiều động điện AC servo không chổi than dựa động đồng động không đồng Không phải động sử dụng làm động servo, động servo động. .. nghiên cứu đề tài - Nêu chế độ làm việc động Servo hãng Yaskawa - Tiến hành thực nghiệm, kiểm tra chế độ điều khiển vị trí động Servo Nội dung nghiên cứu - Cấu tạo chức động Servo - Các chế độ. .. biệt chế tạo động servo có yêu cầu độ xác cao, động hoạt động phải đảm bảo cho momen quán tính dừng nhỏ Hình 1.1: Động servo điều khiển Điểm bật động servo có tích hợp cấu feedback sẵn động Động