a. Sơ lược về bộ PLC LG K7M-DR30S
Bộ PLC LG K7M-DR30S do hóng LG của KOREA sản xuất. Loại PLC này sử dụng đầu vào Input là tớn hiệu điện 1 chiều 1ữ24V, đầu ra Rơ le. Loại PLC này về nguyờn tắc vận hành và cấu tạo chung thỡ tương tự như bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A.
Trờn bộ PLC này được đỏnh số cỏc đầu vào, ra và COM, điện xoay chiều 220V và điện 1 chiều 24V.
• Cú 18 đầu vào được ghi cỏc địa chỉ sau:
INPUT P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 P09 P0A P0B P0C P0D P0E P0F P10 P11 • Cú 12 đầu ra với cỏc địa chỉ sau: OUTPUT P40 P41 P42 P43 P44 P45 P46 P47 P48 P49 P4A P4B Hỡnh 2-31: Hỡnh dạng PLC LG K7M-DR30S
b. Thuật ngữđầu vào và đầu ra PLC LG K7M-DR30S Tương tự như PLC PLC OMRON SYSMAC CPM2A.
c. Cấu trỳc vựng dữ liệu PLC LG K7M-DR30S
PLC LG K7M-DR30S là một hệ thống điều khiển tự động theo chương trỡnh hoạt động theo chu kỳ với chương trỡnh được lưu giữ trong bộ nhớ.
• Phương phỏp điều khiển vào ra: phương phỏp nạp mới, phương phỏp lụgớc.
• Ngụn ngữ lập trỡnh: Hỡnh thang, lụgớc. • Tốc độ vi xử lý: 0.5μs/ step.
• Dung lượng chương trỡnh: 7kstep. • Tiếp điểm I/O: 30. • Tiếp điểm Input: P0000 ữ P0011. • Tiếp điểm Output: P0040 ữ P004B. • Tiếp điểm phụ: M0000ữM191F. • Tiếp điểm liờn tục: K0000ữK031F. • Tiếp điểm liờn kết: L0000ữL063F. • Tiếp điểm đặc biệt: F0000ữF063F. • Timer: 100ms: T000ữT191. • Counter: C000ữC255. • Địa chỉđiều khiển bước: S00.00ữS99.99. • Thanh ghi dữ liệu: D0000ữD4999
CHƯƠNG 3
KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG RễBỐT CẤP PHễI TỰ ĐỘNG
3.1 Động cơđiện và điều khiển động cơ. 3.1.1 Ứng dụng truyền động điện
Truyền động điện được sử dụng khỏ nhiều trong kỹ thuật robot. Vỡ cú những ưu điểm như là điều khiển đơn giản khụng phải dựng cỏc bộ biến đổi phụ thờm, khụng gõy bẩn cho mụi trường, cỏc loại động cơ hiện đại cú thể lắp trực tiếp trờn cỏc khớp quay...
Tuy nhiờn so với truyền động thuỷ khớ thỡ truyền động điện cú tỷ lệ thấp giữa cụng suất truyền trờn một một đơn vị khối lượng và thụng thường đũi hỏi kốm theo hộp giảm tốc cồng kềnh vỡ trong tay mỏy tốc độ quay rất chậm...
Trong kỹ thuật robot về nguyờn tắc cú thể dựng động cơ điện cỏc loại khỏc nhau, nhưng trong thực tế chỉ cú hai loại được dựng nhiều hơn cả. Đú là động cơ điện một chiều và động cơ bước.
Ngày nay do những thành cụng mới trong nghiờn cứu điều khiển động cơ xoay chiều, nờn cũng cú xu hướng chuyển sang chuyển sử dụng động cơ xoay chiều để trỏnh phải trang bị thờm bộ nguồn điện một chiều. Ngoài ra loại động cơ một chiều khụng chổi gúp ( DC brushless motor) cũng bắt đầu được ứng dụng nhiều.
3.1.2 Động cơđiện một chiều
Tổng quan vềđộng cơ điện một chiều
Động cơđiện một chiều gồm cú hai phần (hỡnh 4-2)
a. Stato cốđịnh với cỏc cuộn dõy cú dũng điện cảm hoặc dựng nam chõm vĩnh cửu. Phần này gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nờn từ thụng trong khe hở khụng khớ.
b. Roto với cỏc thanh dẫn. Khi cú dũng điền một chiều chạy qua và với dũng từ thụng xỏc định, roto sẽ quay. Phần này cũn gọi là phần ứng.
nhữ Do cỏch ững loại độ -Động c -Động c -Động c Cỏc đại U - Điện I - Cươ r - Điện Φ - Từ E - Sứ Cỏc qua E = U – h khỏc nha ộng cơđiện cơ kớch từ cơ kớch từ cơ kớch từ lượng chủ n ỏp cung c ơng độ dũng n trở trong ừ thụng tron ức phản điệ an hệ cơ bả – rI = knΦ au khi bố t n một chiề song song nối tiếp. hỗn hợp. ủ yếu xỏc đ cấp của ph g điện tron phần ứng. ng khe hở. ện động ph ản khi làm ( Hỡnh 3-1 trớ dõy cuố ều khỏc nha . định sự làm hần ứng. ng phần ứn hần ứng. việc là: (1) : Sơđồđộ n phần cảm au: m việc của đ ng. ộng cơđiện m so với p động cơ m n một chiề phần ứng t một chiều là ều ta cú à:
k phụ thuộc vào đặc tớnh của dõy cuốn và số thanh dẫn tỏc dụng của phần ứng. Từ (1) ta cú cỏc nhận xột sau: 1) Khởi động E băng 0 khi mở mỏy, chỉ cú điện trở phần ứng r rất nhỏ hạn chế dũng điện. Vỡ thế cần phản cần phải cú biến trở mở mỏy để duy trỡ I ở giỏ trị thớch hợp. 2) Số vũng quay: φ k Ir U n= − Vậy điều chỉnh tốc độ cú thể tiến hành bằng cỏch tỏc động vào điện ỏp U hoặc tỏc động vào từ thụng φ. 3) Momen động C xỏc định từ phương trỡnh cõn bằng cụng suất: EI = 2πnC Điều chỉnh tốc độđộng cơ điện một chiều:
Về phương diện điều chỉnh tốc độ thỡ động cơ điờn một chiều cú nhiều ưu việt hơn hẳn cỏc động cơ khỏc. Khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng trong dải rộng và cú cấu trỳc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản.
Như đó núi trờn, cú hai phương phỏp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều: - Tỏc động lờn từ thụng φ thụng qua việc điều chỉnh điện ỏp dũng kớch từ. - Điều chỉnh điện ỏp phần ứng. Khi điều chỉnh tốc độ 0 đến tốc độ định mức bằng cỏch dữ từ thụng khụng đổi và tỏc động vào điện ỏp phần ứng U thỡ momen sẽ khụng đổi, cũn cụng suất tăng theo tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức bằng cỏch tỏc động lờn từ thụng và giữ điện ỏp phần ứng khụng đổi thỡ cụng suất khụng đổi, cũn momen giảm theo tốc độ.
Khi từ thụng tiến về khụng thỡ tốc độ tiến tới vụ cựng. Vỡ vậy khi khụng tải , động cơ kớch từ nối tiếp cú cú tốc độ quỏ lớn, cỏc loại động cơ kớch từ song song hoặc hỗn hợp để quỏ tốc độ nếu cắt mạch kớch từ của nú.
Đảo chiều quay:
Chiều quay của phần ứng phụ thuộc vào chiều dũng điện trong dõy cuốn phần ứng và chiều của từ trường. Để đổi chiều quay của động cơ điện một chiều cần đổi hoặc chiều của từ thụng hoặc dũng điện phần ứng.
3.1.3 Động cơ bước 3.1.3.1 Đặc điểm:
Ngày nay cựng với sự phỏt triển của cụng nghệ chế tạo vi mạch và cỏc thiết bị điều khiển, động cơ bướcđược sử dụng rộng rói trong nhiều lĩnh vực. Trong hệ thống điều khiển dựng động cơ bước cú ưu điểm hơn hẳn động cơ một chiều và xoay chiều bởi hệ khụng cần cỏc mạch vũng dũng điện và mạch vũng tốc độ mà chỉ cần mạch vũng điều khiển vị trớ.
Động cơ bước là một loại động cơ điện chuyển cỏc tớn hiệu vào điều khiển(số) thành cỏc chuyển động cơ học(giỏn đoạn theo bước). Tuỳ thuộc vào yờu cầu truyền động mà ta chọn động cơ bước cú chế độ kớch thớch xung và tần số xung kớch thớch cho phự hợp.
*Ưu nhược điểm:
Việc sử dụng chỳng trong hệ thống điều khiển cú nhiều thuận lợi: - Khụng cần mạch phản hồi cho cảđiều khiển vị trớ và vận tốc. - Thớch hợp với cỏc thiết bịđiều khiển số.
Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trớ là khụng cần phản hồi ( khi điều khiển chớnh xỏc số bước quay của động cơ, đếm số bước cú thể xỏc định vị trớ chớnh xỏc mà khụng cần đến phản hồi vị trớ) và điều khiển số trực tiếp ( ghộp nối trực tiếp với mỏy tớnh). Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành rất thụng dụng trong cỏc thiết bị hiện đại
như robot cụng nghiệp, mỏy cụng cụ điều khiển số, cỏc thiết bị ngoại vi của mỏy tớnh như trong mỏy in kim, bộđiều khiển bộđĩa mỏy vi tớnh, mỏy vẽ...
Tuy vậy, phạm vi ứng dụng động cơ bước ở vựng cụng suất nhỏ và trung bỡnh. Việc nghiờn cứu nõng cao cụng suất của động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tõm hiện nay. Ngoài ra núi chung hiệu suất của nú thấp hơn so với nhiều loại động cơ khỏc.
3.1.3.2 Cấu tạo.
Phần ứng của động cơ bước là cuộn dõy được cuốn xung quanh một lừi thộp cú dũng điện một chiều chạy qua. Một hệ thống vành trượt cấp điện cho cuộn dõy roto quay, như vậy ta cú thể coi roto như một nam chõm điện. ở mỗi thời điểm thỡ chỉ cú một đụi dõy cuốn được nạp điện ( vớ dụ 1a, 1b ).Chỳng được quấn dõy sao chotừ trường của chỳng thẳng hàng nhưng ngược chiều nhau. Ro to se quay cho đến khi từ trường của roto thẳng hàng với cặp từ của stato được cấp điện. Hỡnh vẽ (2-1) cặp từ 1a, 1b được cấp điện đõy là trạng thỏi ổn định động cỡ sẽ giữ nguyờn ở vị trớ này cặp cuộn day 1 được ngắt điện đồng thời cấp điện cho cuộn dõy 2 ( 2a, 2b ) và roto quay cho đến khi từ trường của nú thẳng hàng với từ trường cuộn dõy 2. Mỗi bước đơn của cuộn dõy 3 pha sẽ quay được một gúc 600. Bằng cỏch sử dụng nhiều số đụi cực và ststo được quấn phức tạp hơn ta sể tăng được số bước. Thụng thường động cơ này đi được 24 bước trong một vũng quay (150).
Động cơ bước là động cơ quay giỏn đoạn từng gúc độ, gúc quay được xỏc định bởi cỏc xung đặt vào stato
C uộn 3a N S R ô to C uộn 3b C uộn 1a C uộn 2a
3.1.3.3 Phõn loại động cơ bước.
Căn cứ vào cấu tạo, động cơ bước được phõn thành hai loại thụng dụng là động cơ bước cú từ trở biến đổi ( Variable reluctance – VR ) và động cơ bước nam chõm vĩnh cửu ( Permanent Magnet – PM ), cả hai loại động cơ bước này đều hoạt động bằng cỏch kớch thớch xung điện ỏp chữ nhật vào cuộn dõy stato, từ đú sẽ biến đổi thành chuyển dịch theo gúc, ngoài ra cũn loại động bước kiểu lai, nú là sự kết hợp của hai loại động cơ bước trờn.
a, Động cơ bước loại VR:
Là động cơ cú cỏc cuộn dõy cuốn trờn cỏc răng của của stato cũn rụto làm bằng sắt non là loại sắt từ khụng cú khả năng giữ từ trường khi ngừng kớch thớch. Rụto quay khi cỏc răng của rụto bị hỳt bởi từ trường của cỏc răng stato. Rụ to sắt non cú quỏn tớnh nhỏ hơn cỏc loại khỏc. Điều này cho phộp đỏp ứng nhanh hơn. Tuy nhiờn do rụto khụng cú mụmen dư khi ngừng kớch thớch , động cơ quay tự do, gúc bước của động cơ VR thường là 7,50 và 150.
Xột nguyờn lý của động cơ VR:
Ta kớch thớch cuộn dõy một pha nào đú bắng nguồn một chiều khi đú lực từ trường do cuộn dõy của stato sinh ra sẽ đẩy rụto tới vị trớ mà tại đú tiết diện răng rụto và tiết diện răng stato đối diện vỡ tại vị trớ này từ trở nhỏ nhất nờn động cơ sẽ ở trạng thỏi cõn bằng. Trờn hỡnh vẽ ta xột động cơ VR 3 pha cú 12 răng trờn stato và 8 răng trờn rụto. Giả xử khi pha C được kớch thớch thỡ Rụto ở vị trớ như hỡnh a, nếu ngừng kớch thớch pha C và kớch thớch pha B thỡ răng rụto cú vị trớ gần pha B sẽ được đẩy vào vị trớ đối diện thẳng hàng với răng của stato khi đú rụto sẽ chuyển động được một bước. Cứ tiếp tục kớch thớch xung như vậy thỡ rụto sẽ chuyển động theo vũng trũ, đõy là lý do tại sao động cơ bước loại VR hoạt động được. Tuy nhiờn nếu ta kớch thớch pha C thay vỡ pha A thỉ rụto sẽ quay theo chiều kim đồng hồ trở về vị trớ pha C ban đầu.
b, Động cơ bước nam chõm vĩnh cửu.
Stato gồm một số răng trờn đú mang dũng điện kớch thớch. Rụto là nam chõm vĩnh cửu cú số cực bằng số răng của stato. Để minh hoạ ta xột động cơ bước gồm hai cụm điển hỡnh, mỗi cụm cú một cuộn dõy giả xử là cuộn A và cuộn B. Khi được kớch thớch cỏc cuộn tạo ra cỏc cực như nam chõm điện. Cỏc cực được tạo ra trờn hai cuộn cú vị trớ lệch so với nhau một nửa. Nếu cuộn pha A được kớch thớch với điện ỏp dương sẽ tạo ra cỏc cực từ như hỡnh vẽ. Cực từ của nam chõm vĩnh cửu của rụto sẽ tương tỏc với cực từ được sinh ra trờn stato theo nguyờn tắc cựng dấu thỡ đẩy nhau trỏi dấu thỡ hỳt nhau, đõy chớnh là nguyờn nhõn làm cho rụto chuyển động. Trờn hỡnh a là pha A được kớch thớch với điện ỏp dương, khi pha A ngắt điện cho pha B được kớch thớch với điện ỏp dương thỡ rụto sẽ dịch thờm một đoạn cựng chiều đú. Để chuyển động thỡ pha B khụng được kớch thớch và pha A sẽđược kớch thớch với điện ỏp õm. Hỡnh 3-3: Sơ đồ cấu tạo động cơbước VR C C B A (a) (b) A B C C (c) A B C C A B C B
1,2 : Hai nửa stato cú dạng cực múng được từ hoỏ với cực N và S xen kẽ nhau.
3 : Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiển lưỡng cực) được đặt ở trong hai nửa stato.
4 : Rụto nam chõm vĩnh cửu cú cỏc cực từ xen kẽ.
Động cơ PM cú đặc điểm là khi động cơ bị cắt nguồn cấp cho cỏc pha thỡ vẫn cũn cú từ trường dưở cỏc pha stato tỏc dụng với từ trường nam chõm vĩnh cửu trờn rụto vỡ vậy động cơ vẫn được hóm ở vị trớ ổn định. Mụmen này cú thể coi như mụmen hóm của động cơ bước, trong khi đú động cơ bước kiểu VR khụng cú khả năng hóm này khi tất cả cỏc cuộn dõy khụng được kớch thớch do vật liệu làm rụto khụng cú từ dư.
c, Động cơ bước kiểu lai ( Hybrid )
Là sự kết hợp của hai loại động cơ kiểu VR và PM, cấu trỳc stato gồm một số cực lớn, trờn mỗi cực lớn lại được chia thành cỏc răng nhỏ. Rụto là nam chõm hỡnh trụ cú nhiều răng với kớch cỡ giống kớch cỡ răng stato. Gốc bước của nú phụ thuộc vào số răng trờn stato và rụto.
Hỡnh 3-4: Sơđồ cấu tạo động cơ bước nam chõm vĩnh cửu
3
1 2
4 3
Hỡnh 3-5: Sơđồ cấu tạo động cơ bước kiểu lai.
1: Hai pha điều khiển lưỡng cực. 2: Stato dạng răng.
3: Cuộn dõy pha điều khiển lưỡng cực. 4: Hai vành răng mgoài của rụto
Phần stato được cấu tạo hoàn toàn giống stato của loại động cơ bước cú từ trở thay đổi. Trờn cỏc cực của stato được đặt cỏc cuộn dõy pha, mỗi cuộn dõy pha đượcquấn thành 2 hoặc 4 cuộn dõy dặt xen kẽ nhau hỡnh thành lờn cỏc cực N và S, đồng thời đối diện với mỗi cực bối dõy là cỏc răng của rụto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng của stato.
* Cỏc thụng số của động cơ bước:
Gúc quay:
Động cơ bước quay một gúc xỏc định đối với mỗi xung kớch. Gúc bước θ càng nhỏ thỡ độ phõn giải càng cao. Số bước s là một thụng số quan trọng.
θ 0 360 = s (1) Tốc độ quay và tần số xung:
Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giõy. Đối với hầu hết cỏc động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước nờn
2 1
1 2
3
tốc độ cú thể tớnh theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bước cú bước tớnh theo cụng thức sau: S f n= 60 (2)
Trong đú : n là tốc độ quay ( vũng / giõy), f là tần sú bước ( Hz), s là số bước.
Ngoài ra cũn cỏc thụng số quan trọng khỏc nhưđộ chớnh xỏc vị trớ và tỷ số momen và quỏn tớnh roto. Độ chớnh xỏc vị trớ của động cơ bước phụ thuộc vào đặc tớnh của động cơ, vào độ chớnh xỏc chế tạo... Tỷ số momen và quỏn