CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HỐ
2.4. Lý thuyết về động cơ Servo
2.4.1. Giới thiệu về động cơ Servo
Động cơ servo là những hệ hồi tiếp vịng kín, tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. [6]
2.4.2. Ưu điểm của động cơ Servo [20-21]
- Tăng tốc độ đáp ứng: Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này
sang tốc độ khác thì cần một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, địi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất.
- Tăng khả năng đáp ứng: Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc
cần mượt mà, nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số, 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.
- Điều chỉnh được nhiều tốc độ: Động cơ Servo được điều chỉnh bằng số xung,
là điều khiển trơn nên giá trị vị trí và tốc độ có thể thay đổi. So với động cơ thường thì chỉ có 1 tốc độ, cịn động cơ bước (step) thì vị trí phụ thuộc vào bước, nên vị trí khơng thể tinh chỉnh.
- 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 ta đã biết khơng có mạch điện hồn hảo, khơng có từ trường hồn hảo trong thực tế. Động cơ servo khác biệt với động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khá cao. Các động cơ loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng địi hỏi tốc độ chính xác
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.20: Động cơ Servo và bộ điều khiển [31]
2.4.3. Cấu tạo động cơ servo
Cấu tạo cơ bản của động cơ servo gồm: - Nam châm vĩnh cữu
- Lõi sắt phần ứng - Bộ encoder - Vỏ
- Cuộn dây phần ứng
Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder: Nguyên lý hoạt động cơ bản của
encoder đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led chiếu sáng trên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xun qua. Khi đó, phía mặt ben kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
41
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.21: Điều khiển vịng kín (servo) [21]
Trong đó:
Plant là hệ thống cần được điều khiển.
Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống.
2.4.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến động cơ Servo
- Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến động cơ Servo:
Độ khuếch đại là hệ số đánh giá định lượng khả năng về tác động tăng công suất hoặc biên độ của tín hiệu từ ngõ vào đến ngõ ra. Độ khuếch đại của động cơ ảnh hưởng đến momen của động cơ.
Hình 2.22: Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến momen động cơ [21]
Từ đồ thị trên, nhận thấy rằng hệ số khuếch đại càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh và momen ban đầu càng lớn. Hệ số này rất quan trọng trong khi sử dụng để tăng tốc và giảm tốc động cơ.
- Ảnh hưởng của khối điều khiển đến động cơ Servo:
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Mom en (N.m m ) Thời gian (t)
Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
cho một mạch RC.
Hình 2.23: Khối điều khiển động cơ Servo [11]
Nó có mối quan hệ đầu ra và đầu vào được cho bởi công thức: ( ) 1
( ) 1
C s R s =Ts
+ (1.1)
Biến đổi Laplace của hàm đơn vị 1/s, tức là thay R(s) = 1/s ta có: 1 1 ( ) . 1 C s Ts s = + (1.2)
Biến đổi ta được:
1 1 1 ( ) 1 1 T C s s Ts s s T = − = − + + (1.3) Khi hằng số thời gian càng nhỏ thì phản ứng của hệ thống càng nhanh. Kết quả cuối cùng được chứng minh theo công thức sau:
0 1 1 . t T t dc e dt T T − = = = (1.4) Trong đó 1/T được gọi là độ dốc của đường cong đáp ứng.
43
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.24: Quan hệ giữa đường cong đáp ứng và thời gian [6]
Lần lượt thay đổi giá trị điều khiển ở toán tử Laplace, giữ nguyên hệ số khuếch đại và khối giảm nhiễu thì ta có sơ đồ đáp ứng sau:
Hình 2.25: Ảnh hưởng của biến điều khiển đến momen động [21]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Ảnh hưởng của khối điều khiển
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
ứng của động cơ càng chậm.