Bộ điều 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 thực tế, vận tốc hay momen của động cơ servo được so sánh với lệnh chuyển động và bất kỳ sai số nào giữa các cặp giá trị trên đều được xác định. Sau đó, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai số này để điều chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng. Chu trình phản hồi - xác định sai số - triệt tiêu sai số được gọi là mạch vòng điều khiển kín. 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 muốn cho ứng dụng của mình, chúng ta có thể tách riêng các mạch vòng điều khiển cho vị trí, vận tốc và momen.
a) Điều khiển vị trí (position Loop)
Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối 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 mã hóa xung vòng quay của động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có thể gửi tín hiệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động. Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế; từ sai số nhận được và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí. Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên khó 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 muốn bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động.
b) Điều khiển tốc độ (Velocity Loop)
Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo. Khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi vận tốc và chiều quay thực tế tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động. Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại; dựa vào sai số tốc độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu cầu của ứng dụng. Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu có trọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc.
Trong trường hợp này, động cơ có thể tăng momen nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng.
c) Điều khiển Mô men (Current Loop)
Momen của động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ. Momen tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Dòng hiệu dụng càng cao, momen sinh ra càng lớn. Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator và dùng phản hồi giá trị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian thực nhằm đáp ứng được yêu cầu mô men của ứng dụng.
• Mã số lỗi và nội dung
• Chế độ cài đặt thông số
3.9.5 Các thông số cài đặt cơ bản
3.10 ĐỘNG CƠ SERVO
3.10.1 Sơ lược về động cơ servo
Động cơ servo là thiểt bị được điều khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi tiếp vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển hoạt động của 1 động cơ servo. Với lý do nêu trên nên servo đo vị trí hoặc tốc độ là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho 1 động cơ servo. Đặc tính vận hành của một servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển động cơ servo. Có 3 loại động cơ được sử dụng hiện nay đó là động cơ servo AC dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sóc; động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC và động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ.
Động cơ servo là một động cơ điện được thiết kế cho những hệ thống điều khiển có hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với mạch điều khiển, khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển. Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu và chưa đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định. Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kểt hợp với: Bộ điều khiển, Bộ điều khiển động cơ (driver), Bộ mã hóa vòng quay (encoder).
• Bộ điều khiển: Thông thường là bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
• Bộ điều khiển động cơ: Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp nguồn cho động cơ đúng lượng, đúng thời điểm đê điều khiển vị trí, vận tốc và momen tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa vòng quay và từ bản thân động cơ. • Bộ mã hóa vòng quay: tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.
3.10.2 Các đặc trưng của servo
a) Tăng tốc độ đáp ứng tốc độ:
Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất. Ví dụ muốn điều khiển một cơ cấu từ vị trí X đến vị trí X’, ban đầu khi ở xa vị trí X’ thì động cơ quay với vận tốc lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí. Các động cơ thường không thể đáp ứng được điều này. Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.
Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ. Để giảm momen quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm.
Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số. Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính. Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu. Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí.
c) Mở rộng vùng điều khiển (control range):
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp định mức. Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ. Như vậy động cơ servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare earth).
d) Khả năng ổn định tốc độ:
Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định. Như các ta biết là không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế. Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở 1750 rmp mà nó chỉ dao động quanh giá trị này. Động cơ servo khác biệt với động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khác cao. Các động cơ servo loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot). Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khác đặc biệt để có thể đáp ứng được yêu cầu này. Tăng khả năng chịu đựng của động cơ . Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển. Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đôi với DC).
3.10.3. Động cơ AC 3PH SERVO
a) Thông số kỹ thuật:
• Mã sãn phẩm: SV-ML06-0R2G-2-1A0-3000.
• Số serial: V0Y517900065.
• Công suất đầu ra: 0.2KW.
• Nguồn cấp: 3P AC 220V/2.8A. • Tốc độ: 3000r/min.
• Mô-men xoắn: 0.64Nm.
Hình 3.19: Động cơ AC 3PH SERVO MOTOR
b) Đặc điểm
Hình 3.20: Bộ phận bên ngoài động cơ
• Nhiệt độ làm việc: 0°C to 40°C.
• Độ ẩm môi trường làm việc: thấp hơn 90% RH.
• Nhiệt độ lưu trữ: –20°C to 40°C (Nhiệt độ cho phép trong thời gian ngắn như vận chuyển. • Độ ẩm lưu trữ: thấp hơn 85% RH.
• Độ rung động (chỉ động cơ): thấp hơn 49m/s2 khi chạy, 24.5m/s2 khi ngừng. • Sự va chạm: Thấp hơn 98m/s2.
• Không nhấn chìm cáp vào nước hoặc dầu.
• Khi gắn động cơ theo chiều ngang nên cắm động cơ với ổ cắm cáp xuống dưới để đối phó với nước và dầu.
• Khi gắn dọc: Sử dụng động cơ có con dấu dầu (phi tiêu chuẩn) khi gắn với bánh răng, giảm thiểu để ngăn chặn dầu mỡ xâm nhập vào động cơ.
3.11 ĐỘNG CƠ 3PH 0.37kw
Hình 3.21: Động cơ 3ph 0.37kw
Động cơ điện 3 pha 0.5HP 0.37kW 2 pole Parma làm từ dây đồng cao cấp, vòng bi bạc đạn chất lượng quốc tế, thiết kế rotor, stator motor bằng tôn silic xanh cán nguội, theo tiêu chuẩn Châu Âu IEC, phù hợp với tiêu chuẩn tiết kiệm điện năng của Bộ Khoa Học Việt Nam.
Động cơ điện 3 pha 0.5HP 0.37kW thích hợp để dùng làm thành quạt áp, quạt nồi hơi, bơm nước sạch, máy mài đá, máy thổi bay vỏ thóc, máy bơm chân không vòng nước, bơm dầu...
THÔNG SỐ KĨ THUẬT:
• Dòng điện ampe định mức: 1 (A)
• Điện áp: 380/220v • Tần số: 50Hz
• Tốc độ trục quay: 2900-3000 vòng/phút
• Khoảng cách tâm lỗ đế ngang trục: 112mm
• Bản rộng chân đế ngang trục: 150mm
• Khoảng cách tâm lỗ đế dọc trục: 90mm
• Tổng dài động cơ điện Parma: 245mm; tổng chiều cao: 198mm
• Đường kính trục: 14mm; chiều dài trục: 30mm
• Motor nửa ngựa 2pole mã vỏ: 71M1. Mã vòng bi trục ra mang tải (trục trước): 62022RZ, mã bi phía sau đuôi motor: 62022RZ
3.12 Giới thiệu về tải
Tải được sử dụng cho mô hình là Bánh đà. Là một thiết bị cơ khí quay có mô-men quán tính lớn. Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-men xoắn đối với nó, do đó gây ra tốc độ quay của nó 3.12.1 Thông số của bánh đà • Chất liệu sử dụng để làm bánh đà: Sắt đặc • Bánh đà có đường kính: d=20cm • Trọng lượng: 6kg • Độ dày bánh đà: h=2cm • Chiều dài trục: 30cm 3.12.2 Đặc điểm • Bánh đà sử dụng ổ bi loại 204mm • Có giá đỡ: Cao: 14cm Rộng: 12.5cm Dày: 7.5cm
Hình 3.22: Hình ảnh bánh đà
Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH 4.1 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP
Tự động hóa điều khiển, giám sát thu nhập dữ liệu, quản lý hệ thống trong các nhà máy dệt, bao bì, cán tôn... nói riêng và các nhà máy sản xuất công nghiệp nói chung . Mô hình mô phỏng cấu trúc và nguyên lý các hệ thống điều chỉnh và tự động ổn định trong thực tế như: Hệ thống ổn định tốc độ, ổn định nhiệt độ...
4.2 ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC
Nghiên cứu khoa học là một nhiệm vụ quan trọng, chúng em nhận thức được điều đó, giúp người học nghiên cứu thiết bị, công nghệ để thiết kế và lập dự toán, kế hoạch thi công. Tiếp cận với những thiết bị thực tế để có kết quả thực tiễn khi đi vào sản xuất trong cuộc sống. Các module, biến tần ứng dụng trong việc dạy học môn truyền động điện kết hợp với module trong môn truyền thông công nghiệp. với các module trong đề tài có nhiều module trong các môn học khác nhau như truyền động điện , truyền thông, đo lường … nên việc giảng dạy sẽ trở nên linh hoạt hơn rất nhiều cũng như sự hiểu quả của nó mang lại.
4.3 MỘT SỐ BÀI TẬP
4.3.1 Cài đặt chạy JOG tốc độ 300 vòng/phút cho servo Delta.
Bước 1: Kết nối đầy đủ dây nguồn cấp động lực, nguồn điều khiển, cáp nguồn cho động cơ, cáp I/O các kết nối đảm bảo đúng chuẩn và không bị lộn thứ tự hay lỏng lẻo, tiếp xúc không tốt. Bước 2: Khi bật nguồn cho driver servo có thể xuất hiện lỗi AL013 (Cảnh báo chế độ dừng khẩn cấp EMG được kích hoạt), để loại bỏ lỗi này ta cài đặt:
- P2.15 = 122 (Giá trị mặc định là 22). - P2.16 = 123 (Giá trị mặc định là 23). - P2.17 = 121 (Giá trị mặc định là 21).
Sau khi loại bỏ hết lỗi ta tắt nguồn và bật lại lúc này trên màn hình driver servo sẽ hiển thị dãy số: 0000.
Bước 3: Cài đặt ON servo tại tham số: - P2.10 = 001 (Giá trị mặc định là 101).
Bước 4: Cài đặt tốc độ chạy JOG cho servo ở tham số:
- P4.05 = 300 (r/min) sau đó nhấn phím "SET" để servo chuyển vào chế độ chạy JOG (Lúc này trên màn hình servo hiển thị"-JOG-").
Bước 5: Muốn JOG thuận hoặc JOG ngược ta nhấn phím "▲ hoặc ▼" motor servo sẽ hoạt động theo tốc độ đã cài đặt.
4.3.2 Hướng dẫn cài đặt servo Delta chế độ "Speed Mode".
Chú ý trước khi cài đặt và chạy thử cần cố định chắc chắn đế động cơ để tránh các sự cố gặp phải khi chạy.