Động cơ Servo

4. Ph−ơng pháp nghiên cứu

2.2.2 Động cơ Servo

Động cơ điện là một bộ phận khơng thể thiếu trong bất kỳ dây chuyền sản xuất nào cho dù dây chuyền sản xuất đĩ hiện đại đến mức nào đi nữa. Trong hệ thống tự động hố, động cơ điện là thiết bị chấp hành, tất cả các thiết

bị điều khiển nh− PLC , cảm biến, rơlay... đều nhằm mục đích điều khiển cho

động cơ điện làm việc một cách ổn định và chính xác. Ngày nay động cơ điện

vẫn tiếp tục đ−ợc nghiên cứu để đ−a ra những loại động cơ điện ngày càng tốt

hơn bền hơn, đáp ứng ngày càng tốt những yêu cầu chuyển động chính xác

chất l−ợng cao. Đối với một nhà máy thép nh− nhà máy ống thép Việt Nam

hết các chuyển động và tuỳ theo yêu cầu độ chính xác của chuyển động mà nhà máy đã sử dụng các loại động cơ khác nhau cho phù hợp. Đặc biệt trong bộ phân cắt ống thì chuyển động của động cơ kéo bệ dao phải đảm bảo nhiều

yếu tố nh− :

+ Phải khởi động nhanh chĩng, nhanh chĩng đạt tốc độ theo yêu cầu bằng với tốc độ chạy ống

+ Làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

+ Xác định đ−ợc chính xác quãng đ−ờng động cơ kéo bệ dao đi

+Yêu cầu dừng chính xác

Với những yêu cầu trên động cơ Servo đã đáp ứng rất tốt

Động cơ Servo về cấu tạo phần lớn các bộ phận giống nh− các động

điện khác, chúng cũng chia thành nhiều loại

+ Theo nguồn cấp: cĩ loại động cơ Servo một chiều và xoay chiều + Theo chế độ làm việc: cĩ động cơ làm việc ở chế độ dài hạn, ngắn hạn lặp lại...

Ngồi ra để đáp ứng những yêu cầu đặc biệt cấu tạo động cơ Servo cịn

một số điểm khác biệt và −u việt hơn. Hiện nay rất nhiều hãng sản xuất máy

điện đ−a ra các loại động cơ Servo của riêng mình. D−ới đây là cấu tạo cơ bản

của động cơ Servo Roto nam châm vĩnh cửu

Động cơ là một loại động cơ mới xuất hiện tại Việt Nam trong các hệ

thống máy tự động hố cao nh− các máy CNC, hàn tự động, Rơbốt ...

Về cơ bản các bộ phận nh− Stato, rơto cũng đ−ợc chế tạo nh− các động cơ

khác. Nh−ng để động cơ Servo cĩ điểm −u việt hơn động cơ khác là trên trục

động cơ cĩ gắn thêm một số bộ phận nh−: Bộ phát xung đo quãng đ−ờng

(Encorder), cĩ thể cĩ đĩa phanh giúp động cơ đừng chính xác, máy phát tốc. Với bộ phát xung gắn trên trục động cơ thì khi động cơ làm việc nĩ sẽ

liên tục phát xung, những xung này đ−ợc bộ điều khiển động cơ xử lý và biết

đ−ợc chính xác vị trí của động cơ, tốc độ hay quãng đ−ờng động cơ đi đ−ợc.

Để điều khiển đ−ợc loại động cơ này các hãng sản xuất đều đ−a ra những bộ

điều khiển của riêng mình, nh−ng về nguyên tắc tất cả giống nhau đều dùng

điều khiển động cơ theo một chu kỳ kín.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ Servo

Hình 18. Một chu kỳ hoạt động của động cơ Servo

Thơng th−ờng đi kèm với động cơ Servo cĩ bộ điều khiển và cĩ thể cả

bộ biến tần. Khi cĩ tín hiệu ra lệnh cho động hoạt động với một tốc độ xác định hoặc đến một vị trí định sẵn, ngay lập tức bộ điều khiển cấp nguồn cho động cơ, đồng thời bộ phát xung gắn đồng trục với động cơ cũng sẽ phát

xung, các xung này đĩng vai trị nh− tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển của

động cơ. Tại khối điều khiển và cấp nguồn, tín hiệu phản hồi từ máy phát

hành gắn vào trục động cơ đi đ−ợc và những tín hiệu này liên tục đ−ợc so sánh với tín hiệu đặt. Khi cần ổn định về tốc độ, nếu cĩ sự sai lệch giữa hai tín hiệu

bộ điều khiển sẽ nhận biết và đ−a ra tín hiệu tăng tốc hoặc giảm tốc cho phù

hợp với tốc độ đặt. Cịn muốn động cơ kéo cơ cấu chấp hành đến vị trí xác định, bộ điều khiển liên tục lấy chiều dài đặt trừ đi chiều dài thực khi kết quả của phép trừ này tiến đến “0” bộ điều khiển cấp tín hiệu cho cơ cấu phanh và dừng động cơ đúng vị trí.

Hình 19. Sơ đồ kết nối động cơ Servo

Ch−ơng 3

Thiết bị điều khiển khả lập trình

3.1. Giụựi thieọu thieỏt bũ ủiều khieồn laọp trỡnh PLC SIMATIC S7 – 200.

3.1.1.Caỏu truực phần cửựng cuỷa S7 – 200 CPU 224.

PLC vieỏt taột cuỷa Programmable Logic Control, laứ thieỏt bũ ủiều khieồn logic laọp trỡnh ủửụùc, cho pheựp thửùc hieọn linh hoát caực thuaọt toaựn ủiều khieồn thõng qua moọt ngõn ngửừ laọp trỡnh.

S7 – 200 laứ thieỏt bũ ủiều khieồn khaỷ trỡnh loái nhoỷ cuỷa haừng Siemens, coự caỏu truực theo kieồu modul vaứ coự caực modul mụỷ roọng. Caực modul naứy sửỷ dúng cho nhiều ửựng dúng laọp trỡnh khaực nhau. Thaứnh phần cụ baỷn cuỷa S7 – 200 laứ khoỏi vi xửỷ lyự CPU 222 hoaởc CPU 224. Về hỡnh thửực bẽn ngoaứi, sửù khaực nhau cuỷa hai loái CPU naứy nhaọn bieỏt ủửụùc nhụứ soỏ ủầu vaứo/ra vaứ nguồn cung caỏp.

- CPU 222 coự 8 coồng vaứo, 6 coồng ra vaứ coự khaỷ naờng ủửụùc mụỷ roọng thẽm baống 2 modul mụỷ roọng.

- CPU 224 coự 14 coồng vaứo, 10 coồng ra vaứ coự khaỷ naờng ủửụùc mụỷ roọng thẽm baống 7 modul mụỷ roọng.

S7 – 200 coự nhiều loái modul mụỷ roọng khaực nhau.

+ Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224:

- Bộ nhớ ch−ơng trình : 8KB

- Bộ nhớ dữ liệu: 5 KB

- Ngơn ngữ ch−ơng trình : LAD, FBD, STL

- Bảo vệ ch−ơng trình : 3 mức password bảo vệ

- 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao(30 kHz), bộ đếm A/B(tối đa 20 kHz), cĩ thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và lùi.

- 128 bộ Timer chia làm 3 loại cĩ độ phân giải khác nhau: 4 bộ Timer 1ms, 16 bộ Timer 10 ms, 236 Timer 100 ms.

- Số đầu vào ra: cĩ 14 đầu vào số, 10 đầu ra số

- Cĩ tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào t−ơng tự, 7 đầu ra

- 2 bộ điều chỉnh t−ơng tự, 2 đầu phát xung tốc độ cao, tần số 20 kHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc PWM. Việc kết hợp đầu ra số tốc độ cao và bộ đếm tốc độ cao cĩ thể sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển cĩ phản hồi tốc độ.

- Tốc độ xử lý logic 0.37 às

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt: ngắt truyền thơng, ngắt theo s−ờn lên

hoặc s−ờn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao, và ngắt truyền xung.

- Toaứn boọ vuứng nhụự khõng bũ maỏt dửừ lieọu trong khoaỷng thụứi gian 190 giụứ khi PLC bũ maỏt nguồn nuõi.

Hỡnh 20. khieồn laọp trỡnh ủửụùc S7 – 200, CPU 214 + Mõ taỷ caực ủeứn baựo trẽn S7 – 200, CPU 214

SF (ủeứn ủoỷ) ẹeứn ủoỷ SF baựo hieọu heọ thoỏng bũ hoỷng. ẹeứn SF saựng lẽn khi PLC bũ hoỷng hoực.

RUN (ủeứn xanh) ẹeứn xanh RUN chổ ủũnh PLC ủang ụỷ cheỏ ủoọ laứm vieọc vaứ thửùc hieọn chửụng trỡnh ủửụùc náp trong maựy. STOP (ủeứn vaứng) ẹeứn vaứng STOP chổ ủũnh PLC ủang ụỷ cheỏ ủoọ dửứng.

Dửứng chửụng trỡnh ủang thửùc hieọn lái.

Ix.x (ủeứn xanh) ẹeứn xanh ụỷ coồng vaứo chổ ủũnh tráng thaựi tửực thụứi cuỷa coồng Ix.x (x.x = 0.0 ữ 1.5). ẹeứn naứy baựo hieọu tráng thaựi cuỷa tớn hieọu theo giaự trũ logic cuỷa coồng.

Đèn báo Cổng truyền thơng Đầu ra Đầu vào Nối Modul mở rộng Nguồn vào Hộp cơng tắc

Qy.y (ủeứn xanh) ẹeứn xanh ụỷ coồng ra baựo hieọu tráng thaựi tửực thụứi cuỷa coồng Qy.y (y.y = 0.0 ữ 1.1). ẹeứn naứy baựo hieọu tráng thaựi cuỷa tớn hieọu theo giaự trũ logic cuỷa coồng. + Coồng truyền thõng

S7 – 200 sửỷ dúng coồng truyền thõng noỏi tieỏp RS485 vụựi phớch noỏi 9 chãn ủeồ phúc vú cho vieọc gheựp noỏi vụựi thieỏt bũ laọp trỡnh hoaởc vụựi caực trám PLC khaực. Toỏc ủoọ truyền cho maựy laọp trỡnh kieồu PPI laứ 9600 baud. Toỏc ủoọ truyền cung caỏp cuỷa PLC theo kieồu tửù do laứ 300 ủeỏn 38.400.

Chãn Giaỷi thớch Chãn Giaỷi thớch

1 ẹaỏt 6 5 VDC (ủieọn trụỷ trong 100Ω)

2 24 VDC 7 24 VDC (120mA toỏi ủa)

3 Truyền vaứ nhaọn dửừ lieọu 8 Truyền vaứ nhaọn dửừ lieọu 4 Khõng sửỷ dúng 9 Khõng sửỷ dúng

5 ẹaỏt

ẹeồ gheựp noỏi S7 – 200 vụựi maựy laọp trỡnh PG702 hoaởc vụựi caực loái maựy laọp trỡnh thuoọc hó PG7xx coự theồ sửỷ dúng moọt caựp noỏi thaỳng MPI. Caựp ủoự ủi keứm theo maựy laọp trỡnh.

Gheựp noỏi S7 – 200 vụựi maựy tớnh PC qua coồng RS-232 cần coự caựp noỏi PC/PPI vụựi boọ chuyeồn ủoồi RS232/RS485.

Cõng taộc chón cheỏ ủoọ laứm vieọc cuỷa PLC

Cõng taộc chón cheỏ ủoọ laứm vieọc naốm phớa trẽn, bẽn cánh caực coồng ra cuỷa S7 – 200 coự ba vũ trớ cho pheựp chón caực cheỏ ủoọ laứm vieọc khaực nhau cho PLC.

- RUN cho pheựp PLC thửùc hieọn chửụng trỡnh trong boọ nhụự. PLC S7 – 200 seừ rụứi khoỷi cheỏ ủoọ RUN vaứ chuyeồn sang cheỏ ủoọ STOP neỏu trong maựy

Hỡnh 21. Sụ ủồ chãn cuỷa coồng truyền thõng

5 4 3 2 1

coự sửù coỏ hoaởc trong chửụng trỡnh gaởp leọnh STOP, thaọm chớ ngay caỷ khi cõng taộc ụỷ cheỏ ủoọ RUN. Nẽn quan saựt tráng thaựi thửùc tái cuỷa PLC theo ủeứn baựo.

- STOP cửụừng bửực PLC dửứng thửùc hieọn chửụng trỡnh ủang cháy vaứ chuyeồn sang cheỏ ủoọ STOP. ễÛ cheỏ ủoọ STOP PLC cho pheựp hieọu chổnh lái chửụng trỡnh hoaởc náp moọt chửụng trỡnh mụựi.

- TERM cho pheựp maựy laọp trỡnh tửù quyeỏt ủũnh moọt trong caực cheỏ ủoọ laứm vieọc cho PLC hoaởc ụỷ cheỏ ủoọ RUN hoaởc ụỷ cheỏ ủoọ STOP.

+ Pin vaứ nguồn nuõi boọ nhụự

Nguồn nuõi duứng ủeồ mụỷ roọng thụứi gian lửu giửừ cho caực dửừ lieọu coự trong boọ nhụự. Nguồn pin tửù ủoọng ủửụùc chuyeồn sang tráng thaựi tớch cửùc neỏu nhử dung lửụùng tú nhụự bũ cán kieọt vaứ noự phaỷi thay theỏ vaứo vũ trớ ủoự ủeồ dửừ lieọu trong boọ nhụự khõng bũ maỏt ủi.

3.1.2. Caỏu truực boọ nhụự

+ Phãn chia boọ nhụự:

Boọ nhụự cuỷa S7 – 200 ủửụùc chia thaứnh 4 vuứng vụựi moọt tú coự nhieọm vú duy trỡ dửừ lieọu trong moọt khoaỷng thụứi gian nhaỏt ủũnh khi maỏt nguồn. Boọ nhụự cuỷa S7 – 200 coự tớnh naờng ủoọng cao, ủóc vaứ ghi ủửụùc trong toaứn vuứng, loái trửứ phần bit nhụự ủaởc bieọt ủửụùc kớ hieọu SM (Special Memory) chổ coự theồ truy nhaọp ủeồ ủóc.

Vuứng chửụng trỡnh: laứ miền nhụự ủửụùc sửỷ dúng ủeồ lửu caực leọnh chửụng trỡnh. Vuứng naứy thuoọc kieồu non-volatile ủóc/ghi ủửụùc.

Vuứng tham soỏ: laứ miền lửu giửừ caực tham soỏ nhử: tửứ khoựa, ủũa chổ trám ... cuừng nhử vuứng chửụng trỡnh, vuứng tham soỏ thuoọc kieồu non-volatile ủóc/ghi ủửụùc.

Vuứng dửừ lieọu: duứng ủeồ caỏt caực dửừ lieọu cuỷa chửụng trỡnh bao gồm caực keỏt quaỷ caực pheựp tớnh, haống soỏ ủửụùc ủũnh nghúa trong chửụng trỡnh, boọ ủeọm truyền thõng ... moọt phần cuỷa vuứng nhụự naứy thuoọc kieồu non-volatile.

Vuứng ủoỏi tửụùng: Timer, boọ ủeỏm, boọ ủeỏm toỏc ủoọ cao vaứ caực coồng vaứo/ra tửụng tửù ủửụùc ủaởt trong vuứng nhụự cuoỏi cuứng. Vuứng naứy khõng kieồu non- volatile nhửng ủóc/ghi ủửụùc.

3.1.3. Vuứng dửừ lieọu:

Vuứng dửừ lieọu laứ moọt vuứng nhụự ủoọng. Noự coự theồ ủửụùc truy nhaọp theo tửứng

bit,

byte,

tửứ ủụn

tửứ keựp

Vuứng dửừ lieọu lái ủửụùc chia thaứnh caực miền nhụự nhoỷ vụựi caực cõng dúng khaực nhau. Chuựng ủửụùc kyự hieọu baống caực chửừ caựi ủầu cuỷa tẽn tieỏng Anh, ủaởc trửng cho tửứng cõng dúng cuỷa chuựng nhử sau:

V - Variable memory. I - Input image regigter. O - Output image regigter. M - Internal memory bits. SM - Speacial memory bits.

Taỏt caỷ caực miền naứy ủều coự theồ truy nhaọp ủửụùc theo tửứng bit, tửứng byte, tửứng tửứ ủụn (word-2byte) hoaởc tửứ keựp (2 word).

Chửụng trỡnh Tham soỏ Dửừ lieọu Vuứng ủoỏi tửụùng Chửụng trỡnh Tham soỏ Dửừ lieọu Chửụng trỡnh Tham soỏ Dửừ lieọu EEPROM Miền nhụự

7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 1 0

Miền V (ủóc/ghi) Vuứng ủeọm

coồng vaứo I

(ủóc/ghi)

Vuứng nhụự noọi M Vuứng ủeọm

(ủóc/ghi) coồng ra Q

(ủóc/ghi)

Vuứng nhụự ủaởc bieọt Vuứng nhụự

ủaởc bieọt SM (chổ ủóc) ủóc ghi

Hỡnh 23. Mõ taỷ vuứng dửừ lieọu cuỷa CPU 224 ẹũa chổ truy nhaọp ủửụùc qui ửụực theo cõng thửực:

-

-

-

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 VB150

- Truy nhaọp theo tửứ keựp

63 32 31 16 15 8 7 VB150 (byte cao) VB151 (byte thaỏp)

VD150 VB150 VB151 VB152 VB153 V0 # V4095 I0.x (x=0ữ7) # I7.x (x=0ữ7) M0.x (x=0ữ7) # M31.x (x=0ữ7) Q0.x (x=0ữ7) # Q7.x (x=0ữ7) SM0.x (x=0ữ7) # SM29.x (x=0ữ7 SM30.x (x=0ữ7 # SM85.x (x=0ữ7

Taỏt caỷ caực byte thuoọc vuứng dửừ lieọu ủều coự theồ truy nhaọp ủửụùc baống con troỷ. Con troỷ ủửụùc ủũnh nghúa trong miền V hoaởc caực thanh ghi AC1, AC2 vaứ AC3. Moĩi con troỷ ủũa chổ chổ gồm 4 byte (tửứ keựp).

3.1.4. Vuứng ủoỏi tửụùng:

Vuứng ủoỏi tửụùng ủửụùc sửỷ dúng ủeồ lửu giửừ dửừ lieọu cho caực ủoỏi tửụùng laọp trỡnh nhử caực giaự trũ tửực thụứi, giaự trũ ủaởt trửụực cuỷa boọ ủeỏm, hay Timer. Dửừ lieọu kieồu ủoỏi tửụùng bao gồm cuỷa thanh ghi cuỷa Timer, boọ ủeỏm, boọ ủeỏm toỏc ủoọ cao, boọ ủeọm vaứo/ra tửụng tửù vaứ caực thanh ghi Accumulator (AC).

Kieồu ủửụùc ủoỏi tửụùng bũ hán cheỏ raỏt nhiều vỡ caực dửừ lieọu kieồu ủoỏi tửụùng chổ ủửụùc ghi theo múc ủớch cần sửỷ dúng cuỷa ủoỏi tửụùng ủoự.

Vuứng nhụự ủoỏi tửụùng ủửụùc phãn chia nhử sau:

15 0 bit

Timer (ủóc/ghi)

Boọ ủeỏm (ủóc/ghi)

Boọ ủeọm coồng vaứo tửụng tửù (chổ ủóc)

Boọ ủeọm coồng ra tửụng tửù (chổ ghi)

31 23 8 0

Thanh ghi Accumulator (ủóc/ghi) T0 # T255 T0 # T255 C0 # C255 C0 # C255 AW0 # AW30 AQW0 # AQW30

AC0 (khõng coự khaỷ naờng laứm con troỷ)

AC1 AC2 AC3

Boọ ủeỏm toỏc ủoọ cao (ủóc/ghi)

3.1.5. Mụỷ roọng ngoừ vaứo/ra:

Coự theồ mụỷ roọng ngoừ vaứo/ra cuỷa PLC baống caựch gheựp noỏi thẽm vaứo noự caực modul mụỷ roọng về phớa bẽn phaỷi cuỷa CPU (CPU 214 nhiều nhaỏt 7 modul), laứm thaứnh moọt moực xớch, bao gồm caực modul coự cuứng kieồu.

Caực modul mụỷ roọng soỏ hay rụứi rác ủều chieỏm choĩ trong boọ ủeọm, tửụng ửựng vụựi soỏ ủầu vaứo/ra cuỷa caực modul.

Sau ủãy laứ moọt vớ dú về caựch ủaởt ủũa chổ cho caực modul mụỷ roọng trẽn CPU 224:

Hỡnh 24. Coồng vaứo ra cuỷa CPU 224

3.1.6. Thửùc hieọn chửụng trỡnh:

PLC thửùc hieọn chửụng trỡnh theo chu trỡnh laởp. Moĩi

voứng laởp

voứng queựt (scan)

HSC0

HSC1 (chổ coự trong CPU 224)

.

Hỡnh 25. Chửụng trỡnh thửùc hieọn theo voứng queựt (scan) trong S7 – 200. Nhử vaọy, tái thụứi ủieồm thửùc hieọn leọnh vaứo/ra, thõng thửụứng leọnh khõng laứm vieọc maứ chổ thõng qua boọ ủeọm aỷo cuỷa coồng trong vuứng nhụự tham soỏ. Vieọc truyền thõng giửừa boọ ủeọm aỷo vụựi ngoái vi trong caực giai ủoán 1 vaứ 4