2.3.3.1. Gi i thi u chung ớ ệ
Trong công nghi p có r t nhi ấ ều quá trình điều khiển và điều khi n v trí là ể ị
một trong nh ng khâu quan tr ng nh t. Bữ ọ ấ ởi l khi mu n s n xu t hàng lo t sẽ ả ấ ạ ản phẩm có kích thưc đồng điều nhau thì bu c hộ thng phải điều khi n chính xác ể như: h ng đng gi sả th n phẩm, đng nắp chai, đo và cắt chiều dài trên băng tải, khắc ch , cữ ắt ng….và ứng d ng lụ n nh t hi n nay là các máy công c CNC. Vì th ấ ụ ế
vic ứng dụng các thi t bế ịđiều khi n vể ịtrí như Step Motor, Servo Motor là rất cần thiết. Vì nhu c u ầ ứng d ng rụ ất l n nên các hãng s n xu ả ất các thi t b công nghi p lế ị n
như Siemen, Omron, Mitsubishi, Yakawa, koyo, Parasonic…đ không ngừng ch tế ạo
và đưa ra các sản ph m m i nhẩ ằm làm thỏa mãn nhu cầu của người tiêu dùng.
2.3.3.2. Giới thi u v Servo YASKAWA SGDMệ ề
Hình 2. 14. Servo YASKAWA SGDM
Động cơ servo là thành phần quan trọng của h thng điều khiển chuyển động. Để hoạt động được, chúng ta phải ni động cơ servo vi các phần cứng, phần mềm hỗ trợđiều khi n chuyể ển động. Động cơ servo được k t hế ợp cơ khí vi các thiết bịmáy mc khác để cung c p l c di chuy n các thi t b này theo yêu c u cấ ể ế ị ầ ủa
ứng dụng.
Động cơ servo được sử dụng trong các h thng điều khiển chuyển động để cung cấp một lc cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định. Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí vận tc, mô men và của động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng.
- Bộ điều khiển: Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thc hin đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
- Bộ điều khiển động cơ:Thiết bị đin tử c chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm.
- Bộ m ha xung vòng quay: Tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.
Hình 2. . 16 Động cơ servo Cấu trúc động cơ servo:
- Động cơ AC Servo
- Động cơ DC Servo Động cơ servo c 2 loại:
Động cơ DC Servo c 2 loại: động cơ 1chiều c chổi than và động cơ 1 chiều không chổi than
Động cơ AC Servo c 3 cuộn dây vi 1 đầu chung cho tất cả các cuộn dây. Thông thường đầu chung được ni vi dương nguồn và được kích từ theo thứ t liên tục, 120 cho mỗi bưc. Rotor trong động cơ c 2 răng, Stator c 3 cc cách 0 nhau 1200. Khi một cuộn kích đin thì răng của rotor bị hút vào cc một. Nếu dòng qua cuộn một bị ngắt và đng dòng cho cuộn hai, rotor quay 120 và răng của rotor 0
bị hút vào cuộn hai. Để động cơ quay một cách liên tục chúng ta cần cấp đin luân
phiên cho 3 cuộn dây.
Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo
Cần c nguồn đin cấp tương thích vi thiết kế của động cơ servo. Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí tc độ và mô men tương ứng vi các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ m ha xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo.
Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:
- Truyền thông vi bộ điều khiển chuyển động
- Đọc phản hồi từ bộ m ha xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thc cho mạch vòng điều khiển kín.
- Xử lý các tín hiu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiu đầu ra về trạng thái hoạt động. Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường kết hợp vi một dòng động cơ servo cụ thể.
Trong khi tín hiu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng một chiều (DC), đầu ra bộ điều khiển gần như là dạng sng đin xoay chiều để điều khiển trơn tc độ, gia tc và mô men của động cơ servo.
Hình 2. 18. Tín hiệu điều khiển động cơ servo Tín hiu điều khiển động cơ servo:
Da vào dữ liu lưu trong chương trình điều khiển chuyển động, bộ điều khiển nhận tín hiu để thc hin một dạng chuyển động nhất định. Tín hiu từ bộ điều khiển chuyển động gửi ti bộ điều khiển động cơ servo c thể c nhiều dạng:
- Đin áp một chiều dạng tương t (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)
- Dãy xung
- Gi dữ liu truyền qua mạng Phản hồi trong h thng động cơ servo
Bộđiều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế độ mạch vòng kín.
Khi sử dụng mạch phản hồi, vị trí thc tế, vận tc hay mô men của động cơ servo được so sánh vi lnh chuyển động và bất kỳ sai s nào giữa các cặp giá trị trên đều được xác định. Sau đ, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai s này để điều chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thc, sao cho quá trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng. Chu trình phản hồi – xác định sai s –trit tiêu sai sđược gọi là mạch vòng điều khiểnkín .
Mạch vòng điều khiển
Hình 2. 20. Các mạch vòng điều khiển
Mạch vòng điều khiển được xử lý bởi bộ điều khiển động cơ servo, bộ điều khiển chuyển động hoặc cả hai tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển. Để đạt được chuyển động như mong mun cho ứng dụng của mình, chúng ta c thể tách riêng các mạch vòng điều khiển cho vị trí, vận tc và mô men.
Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba dạng mạch vòng điều khiển vừa nêu. Nhiều ứng dụng chỉ gồm c mạch vòng dòng đin và mạch vòng tc độ dùng cho điều khiển tc độ. Nhiều ứng dụng lại cần c cả ba mạch vòng điều khiển để điều khiển vị trí.
- Điều khiển vị trí (Position Loop)
Vị trí được hiểu là vị trí gc tuyt đi của trục động cơ servo hoặc trong vài trường hợp, là vị trí của thiết bị truyền động bởi động cơ servo. Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ m ha xung vòng quay của động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị trí thc tế của trục động cơ ti bộ điều khiển động cơ servo hoặc c thể gửi tín hiu trc tiếp ti bộ điều khiển chuyển động.
Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thc tế; từ sai s nhận được và các thông s căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển t động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thc để trit tiêu sai lch vị trí. Theo cách này,
động cơ servo sẽ thc hin chính xác theo thông s đ đặt trưc ngay cả khi điều kin vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên kh di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trí mong mun bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động.
Tc độ ở đây được hiểu là vận tc và chiều quay của động cơ servo. Khi động cơ servo tăng tc hoặc giảm tc, bộ m ha xung vòng quay sẽ gửi vận tc và chiều quay thc tế ti bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trc tiếp ti bộ điều khiển chuyển động.
Mạch vòng tc độ sẽ so sánh tc độ đặt vi tc độ hin tại; da vào sai s tc độ và các thông s căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ t động điều chỉnh vận tc động cơ theo thời gianthc để đạt được các yêu cầu của ứng dụng.
Theo cách này, động cơ servo sẽ thc hin đúng theo các thông s đ cài đặt ngay cả khi điều kin vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu c trọng lượng ln, động cơ sẽ rất kh để giảm tc. Trong trường hợp này, động cơ c thể tăng mô men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng.
- Điều khiển Mô men (Current Loop)
Mô men của động cơ Servo là lc tạo ra từ chuyển động quay của rotor động
cơ.Mô men tạo ra tỷ l thuận vi dòng đin hiu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Dòng hiu dụng càng cao, mô men sinh ra càng ln.
Bộ điều khiển động cơ servo đo trị s dòng hiu dụng chạy trong cuộn dây stator và dùng phản hồi giá trị này để t động điều chỉnh dòng đin trong động cơ theo thời gian thc nhằm đáp ứng được yêu cầu mô men của ứng dụng.
Mạch vòng dòng đin đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men.
Hình 2. 21. Bộ mã hóa xung vòng quay
- Bộ phản hồi m hóa xung vòng quay
Bộ m ha xung vòng quay (encoder):Là thiết bị phần cứng thiết yếu của h thng động cơ servo c tác dụng phản hồitc độ và vị trí.
Thông thường, bộ m ha xung vòng quay nằm trong hoặc được gắn vi động cơ servo. Trong một vài ứng dụng, bộ m ha xung vòng quay là thiết bị được gá lắp riêng bit vi động cơ. Cách gá lắp này giúp cho bộ m ha xung vòng quay ghi nhận được các thông s khác ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ servo.
C hai dạng bộ m ha xung vòng quay chính:
Cấu trúc vật lý của bộ m ha xung vòng quay quyết định dạng tín hiu phản hồi.
Hình 2. 22. Cấu trúc vật lý bộ mã hóa xung vòng quay
- Bộ m ha xung vòng quay tỷ l
Bộ m ha xung vòng quay tỷ l áp dụng nguyên lý quang học sử dụng một đĩa thủy tinh trong sut được in các vạch đi xứng tỏa tròn theo khoảng cách đều. Đĩa này được gắn c định vi trục động cơ và quay cùng rotor của động cơ.
Các vạch trên đĩa được phát hin bởi một cảm biến quang đin. Đầu ra của cảm biến thay đổi mỗi khi c s thay đổi từ sáng sang ti hoặc từ ti sang sáng. Tc độ thay đổi này tỷ l thuận vi vận tc động cơ. Đầu ra của bộ m ha xung vòng quay là một dải xung tỷ l vi vận tc động cơ. Đầu ra này đôi lúc còn được gọi là tín hiu Pha A.
Như vậy, vi bộ m ha này chúng ta không thể biết được chiều quay mà chỉ biết được tc độ của động cơ.
Để biết được chiều quay, bộ m ha xung vòng quay tỷ l cần lắp thêm một cảm biến quang thứ hai, cách cảm biến thứ nhất một khoảng cách nhất định
Hình 2. 23. Chiều quay bộ mã hóa xung vòng quay
Khi thay đổi chiều quay thì xung cũng thay đổi vị trí của cảm biến thứ hai được lắp ở trị trí sao cho s thay đổi sáng ti làm cho đầu ra của cảm biến thứ hai lch pha 90 độ so vi cảm biến thứ nhất.
Quan h giữa các xung này được gọi là chậm pha ¼ chu kỳ Bằng cách so .
sánh hai dy xung lch pha này, ngoài xác định được vận tc quay còn c thể xác
cạnh tín hi u pha A và pha B, b mã hóa xung vòng quay có th ộ ểc đầu ra thứ ba
được g i là Pha Z Pha Z chọ . ỉ xuất đi ộ m t xung ứng v i m ỗi vòng quay. Tín hiu này có tác dụng xác định v ịtrí gc ban đầu hoặc vị trí tham chiếu.
Hình 2. 24. Pha Z bộ mã hóa xung vòng quay
Bộ m ha xung vòng quay tỷ l sử dụng xung tham chiếu này là điểm bắt đầu để từ đ xác định vị trí tuyt đi bằng cách đếm s xung bắt đầu từ một vị trí đ biết.
- Bộ m ha xung vòng quay tuyt đi
Hình 2. 25. Bộ mã hóa tuyệt đối
Bộ m ha xung vòng quay tuyt đicũng sử d ng mụ ột đĩa trong sut; nhưng
thay vì dùng các vạch in, đĩa này c các vùng trong sut và vùng mờ sắp xếp theo mã
nhị phân.
Mỗi bit m ha là một vùng riêng bit trên đĩa và các cảm biến quang sẽ đồng thời đọc tất cả các vùng này.
Dữ liu đọc từ đĩa là duy nhất ứng vi mỗi vị trí gc của trục động cơ. Dữ liu này c thể được gửi đi từ bộ m ha theo phương thức song song hoặc được chuyển đổi sang kiểu dữ liu ni tiếp. S bit trong m dữ liu quy định độ phân giảigc của bộ m ha xung vòng quay.
Theo lý thuy t, m t b mã hóa xung vòng quay có ế ộ ộ độ phân giải 12 bit ẽ s sinh
ra 4096 m đơn nhất khi quay một vòng 360 độ; hay nói cách khác khi trục động cơ quay được 0.088 độ sẽ xuất ra một m đơn nhất. Có nhiều yếu tảnh hưởng ti vic
tăng thêm s góc thc tếnhưng bộm ha 20 bit cũng không phải là hiếm gặp.
Một phương pháp khác để xác định vị trí tuyt đi là kết hợp một dạng đặc bit của bộ m ha xung vòng quay tỷ l vi một bộ nh phần cứng cùng vi một phần mềm riêng thay vì sử dụng chiếc đĩa đắt đỏ của bộ m ha tuyt đi.
Thiết bị sử dụng các xung lũy tiến từ bộ m ha để tạo một vị trí ảo tuyt đi trong bộ nh phần cứng. Nhờ c pin, bộ nh được duy trì ngay cả khi ngắt nguồn của h thng.
Cả hai dạng bộ m ha xung vòng quay tuyt đi đều c thể gửi phản hồi vị trí cần thiết đến bộ điều khiển động cơ servo.
Sau đây là sơ đồ kết ni cấp nguồn cho bộdriver Servo và sơ đồ đấu dây ở 3 chế độ điều khi n: ể
Kết luận chương II: ác giả đ nghiên cứu và tính toán động T lc học của robot đồng thời nghiên cứu về PLC FX3U, đưa ra được phương pháp điều khiển và sơ đồ kết ni mạch điều khiển.
CHƯƠNG III
LẮP ĐẶT, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1. Sơ đồ ết nố k i servo
3.1.1. Đấu với nguồn 1 pha