Chương 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN
3.1 Giới thiệu về động cơ Servo
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù hiện nay cĩ rất nhiều loại máy mĩc hiện đại do sử dụng nguồn xoay chiều thơng dụng.
Do động cơ điện một chiều cĩ nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy tốt và đặc biệt là khả năng q tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong các ngành cơng nghiệp cĩ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cơng nghệ cán thép, hầm mỏ, giao thơng vận tải.
Về cơ bản thì một servo motor và một động cơ một chiều bình thường giống nhau về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động (phần cảm, phần ứng, khe hở khơng khí, …) Tuy nhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nĩ cĩ một số điểm cải tiến hơn (dành cho những mục đích đặc biệt) so với động cơ thường:
Tăng độ đáp ứng tốc độ:
Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần cĩ một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, địi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chĩng 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’ địi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để cĩ thể đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự
vọt lố vị trí. Các động cơ thường khơng thể đáp ứng được điều này. Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên thì nĩ 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 dịng giới hạn cho động cơ. Để giảm moment qn tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ các cơ cấu sắt khơng cần thiết. Để tăng dịng giới hạn, động cơ servo cĩ 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 nĩ 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 (sử dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet).
Tăng khả năng đáp ứng:
Đáp ứng ở đây cần được hiểu đĩ 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 địi 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 cĩ điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dịng 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 cĩ khả năng thu hẹp các vịng từ trong mạch từ khe hở khơng khí.
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 nĩ phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thơng thường khơng quá lớn so với điện áp định mức.
Khả năng ổn định tốc độ
Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nĩ rất ổn định. Như chúng ta biết là khơng cĩ mạch điện hồn hảo, khơng cĩ từ trường hồn hảo trong thực tế. Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm khơng cĩ nghĩa là nĩ luơn luơn quay ở 1750 rpm mà nĩ 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 địi hỏi tốc độ chính xác (như robot). Nĩ được thiết kế sao cho cĩ thể gia tăng được dịng 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 cĩ 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 cĩ thể chịu đựng được các tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và cĩ khả năng chịu được được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển (cĩ thể tạo ra các xung điện hài bậc cao). Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để cĩ tuổi thọ cao và cĩ thể chống lại được sự hao mịn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đối với DC)
Một động cơ servo cĩ thể mang một số đặc điểm trên để phù hợp với nhu cầu điều khiển của người điều khiển
Động cơ DC Servo được sử dụng trong đề tài cĩ thơng số như sau:
- Điện áp nguồn tối đa là 24V
- Cơng suất 30-50W
- Tốc độ tối đa 4500 vịng/phút
- Cĩ gắn liền Encoder quang tương đối 100 xung
Hình 0.23: Động cơ Servo
Encoder:
Encoder gắn trên động cơ là loại Encoder quang( Optiacal Encoder). Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder).
Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder được dùng và mơ hình động cơ servo trong bài này cũng khơng ngoại lệ. Incremental optical encoder về cơ bản là một đĩa trịn, quay quanh một trục được đục lỗ như hình dưới đây:
Hình 0.24: Mơ hình Encoder quang tương đối
Ở hai bên mặt của đĩa trịn sẽ cĩ một bộ thu phát quang. Trong quá trình encoder quay quanh trục, nếu gặp lỗ trống thì ánh sáng chiếu qua được, nếu gặp mảnh chắn thì tia sáng khơng chiếu qua được. Do đĩ tín hiệu nhận được từ sensor quang là một chuỗi xung. Mỗi encoder được chế tạo sẽ biết sẵn số xung trên 1 vịng. Vì vậy ta cĩ thể dùng vi điều khiển đếm số xung đĩ trong 1 đơn vị thời gian và tính ra tốc độ động cơ.
Encoder thường cĩ 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Trong hình trên ta thấy một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đĩ là kênh I của encoder. Cứ mỗi lần motor quay được một vịng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vịng quay của motor. Bên ngồi đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vịng quay của motor, cĩ N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder cĩ độ phân giải khác nhau, cĩ khi trên mỗi đĩa chĩ cĩ vài rãnh nhưng cũng cĩ trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, chúng ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ
chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Khơng được vẽ trong hình trên, tuy nhiên trên các encoder cịn cĩ một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường trịn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder.
Tín hiệu xung từ kênh B cĩ cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 900. Bằng cách
phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.
Hình trên cùng
trong hình thể hiện sự bộ
trí của 2 cảm biến kênh A
và B lệch pha nhau. Khi
cảm biến A bắt đầu bị
che thì cảm biến B hồn
tồn nhận được hồng
ngoại xuyên qua, và
ngược lại. Hình thấp là
dạng xung ngõ ra trên
2 kênh. Xét trường hợp
motor quay cùng chiều
kim đồng hồ, tín hiệu “đi”
từ trái sang phải. Lúc tín
hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta khơng những xác định được tốc độ (thơng qua số xung) mà cịn biết được chiều quay của động cơ (thơng qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
Cách tính tốc độ động cơ trong đồ án:
Động cơ sử dụng trong đồ án cĩ encoder 100 xung/vịng
Kênh xung A được đưa vào chân RA4 của vi điều khiển, đây là chân đầu vào của timer0, và timer0 được thiết lập ở chế độ counter sẽ đếm lên khi cĩ sườn lên của tín hiệu. Kênh xung B được đưa vào chân RB0 là chân ngắt ngồi của vi điều
khiển, một biến đếm sẽ được tăng lên khi cĩ sườn lên của tín hiệu ở chân này. Do cĩ 2 kênh xung lên tổng số xung sẽ tăng lên 200xung/vịng.
Vậy:
Tốc độ = (Count*60)/(200*T) Trong đĩ:
- Count là số xung đếm được trong thời gian T
- T là chu kì trích mẫu. Chọn T = 0.01s => Tốc độ = count*30 (rpm)