Động cơ servo có thể được phân chia thành 3 loại chính như sau:
- Động cơ servo một chiều (DC Servo Motor) thường được sử dụng cho các ứng dụng có công suất nhỏ, có kết cấu rôto là cuộn dây và stato là nam châm vĩnh cừu.
- Động cơ servo đồng bộ xoay chiều (AC Synchronized Servo Motor)
có kích thước nhỏ, dễ hãm (phanh), mômen xoắn tốt; có kết cấu rôto là nam châm vĩnh cửu và stato là cuộn dây.
- Động cơ servo cảm ứng xoay chiều (AC Induction Servo Motor) có kết cấu của rôto và stato đều là các cuộn dây, mômen xoắn ở tốc độ cao tốt nhưng quá trình hoạt động phát sinh nhiệt và hệ điều khiển khá phức tạp.
Sau đây chúng ta sẽ xem cấu tạo và nguyên lý điều khiển của một số động cơ servo được dùng rộng rãi trong thực tế.
5.2.2.1. Động cơ servo một chiều
Động cơ servo một chiều là loại động cơ được sử dụng nhiều nhất, v ề
kết cấu gồm loại có chổi than và không có chổi than.
a) Động cơ servo một chiều có chổi than
Một động cơ servo một chiều có chổi than bao gồm 6 phần cơ bản sau: - Phần ứng hay rôto {Armature)
- Cổ góp {Commutator) - Chổi than {Brushes) - Trục motor {Axle)
- Nam châm tạo từ trường {Magnetic field) - Bộ phận cung cấp dòng điện một chiều
Stato của động cơ servo một chiều thưòng là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cừu hay nam châm điện, rôto có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.Một phần quan trọng khác của động cơ servo một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rôto là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp (hình 5.17).
Nam châm vĩnh cửu
Chổi than
Cổ góp Phần ứng
Khi động cơ servo một chiều có chổi than hoạt động, một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sẳt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bàng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của
Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây và làm cho rôto quay. Để làm cho rôto quay liên tục và đúng chiều, một bộ cô góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mồi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. vấn đề phát sinh là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường, nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90. so với phương ban đầu của nó, khi đó rôto sẽ quay theo quán tính (hình 5.18).
Hlnh 5.18: Nguycn lý hoạt dộng củu dộng cơ servo một chiềư
Dộng cơ servo một chiều có chổi than có giá thành rẻ, diều khiển dơn giản nhưng khi chuyển mạch gây ra tiếng ồn, tăng nhiệt độ trên cổ góp và quán tínli rOto cao khi giảpi tốc độ.
State nam châm vĩnh cửu Trục
động cơ cỗ góp
Chổi than
Hình 5.19: Động cơ servo một chiều có chổi than b) Động cơ servo một chiều không có chổi than
Động cơ servo một chiều không có chổi than có cấu trúc tương tự động cơ servo một chiều có chổi than nhưng khác ở chỗ không có chổi than, cổ góp. Từ trường sinh ra trong động cơ nhờ mạch điều khiển cấp dòng cho
các cuộn pha. Cuộn dây pha của động cơ không chuyển động nên có thể sử dụng chuyển mạch bằng điện tử hạn chế các nhược điểm của động cơ servo
một chiều có chổi than.
Cơ cấu hồi tiếp
Cuộn dây Rôto nam châm vĩnh cửu
Hình 5.20: cấu tạo động cơ servo một chiều không chổi than
c) Phương pháp điều khiển động cơ servo một chiều
Cấu trúc điều khiểnhệ thốngíervomột chiều cơ bản gồm các thành phần sau:
- Động cơ
- Cơ cấu phản hồi
- Khuyếch đại tín hiệu (AMP) - Bộ điều khiển
Hình 5.21: cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ servo điện một chiều
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ servo một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc- qui, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trờ hoặc mạch điện tử,... Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai. Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công-tắc-tơ đặc biệt (công-tắc.tơ đổi chiều).
Để điều khiển vận tốc của động cơ servo một chiều ta cần phải biến đổi điện thế nguồn cung cấp cho động cơ. Trong các ứng dụng thực tế, thường chi dùng nguồn DC ổn định, do đó ta cỏ thể sử dụng biến trở để thay đổi nguồn điện áp cố định và cấp cho động cơ. Tuy nhiên phương pháp này kém năng suất (toả nhiệt trên biến trờ) và khó ứng dụng (để dùng vi điều khiển). Một phương pháp phổ biến thường được dùng để điều khiển vận tốc động cơ là phương pháp điều biến độ rộng xung PWM {Pulse Width Modulation).
Mạch điều khiển động cơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bàng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh. Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 V và mức xấp xỉ điện áp hoạt động). Tín hiệu xung vuông này được cấp cho động cơ, nếu tần số chuyển mạch đủ lón động cơ sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộc vào mômen của trục quay.
Vói phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung, tức là thòi gian "đầy xung" ("ON") của chuỗi xung vuông cấp cho động cơ. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho động cơ và do đó sẽ thav đổi tốc độ của động cơ cần điều khiển.
1ZV_ „ __ __________________ Ov 12vl 20% Duty Cycle Ov. 12V. 50% Duty Cycle ٠ч_ в0% Duty Cycle
Hình 5.22: Phưong pháp điều biến độ rộng xung
Như trên hình 5.22, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm. Nếu độ rộng xung ON càng lớn (như dãy xung thứ hai và thứ ba) động cơ chạy càng nhanh.
Ta có thể không cần sử dụng máy tính để điều khiển động cơ servo. Thay vào đó, một IC 555 có thể cung cấp các xung cần thiết để điều khiển servo.
Hình 5.23 trình bày một cách phổ biến dùng IC 555 để điều khiển
khác nhau để điều khiển hoạt động của servo. Chỉnh vôn-kế để định vị
servo. Vì IC 555 có thể dễ dàng tạo xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vị trí biên thong thường.
Hìnlt 5.23: Phươiĩgpháp dùng IC 555 để điều khiển servo S.2.2.2. Động cơ servo xoay chiều
Dộng cơ servo xoay chiều có stato gồm các lõi sắt dược quấn quanh bởi các cuộn dây và rOto dược chế tạo bằng nam châm vĩnh cửu. Trên trục dộng cơ có gắn encoder dể nhận biết vị tri dộng cơ dể truyền tin hiệu hồi tiếp về hệ thống diều khiển. Dộng cơ servo xoay chiều không có chổi than và cổ góp. Hình 5.24 trinh bày cấu tạo của một dộng cơ servo xoay chiều điển hinh.
Encoder Lỗi sắt phàn ứng
Nam châm vinh cửu
Cuộn dây phần ứng
Hình 5.24: cấu trúc của động cơ servo xoay chiều
Hiện nay, động cơ servo xoay chiều được sử dụng để điều khiển chuyển động chạy dao trong các máy CNC. Hệ thống điều khiển động cơ
servo xoay chiều cũng có bộ phận phản hồi, việc điều khiển tốc độ động cơ dựa trên cơ sở sự biến đổi tần số và tốc độ động cơ xác định theo tần số nguồn. Có rất nhiều phương pháp để điều khiển tốc độ động cơ servo xoay chiều như biến tần, các bộ điều khiển chuyên dùng, ... Hình 5.23 trình bày cấu trúc bên trong của một hệ điều khiển servo.
f ١ 9
Hình 5.25: Câu trúc bên trong của một hệ điêu khiên servo
5.2.3. Cảm biến vị trí trong động c٠. servo
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì ta cần phải đọc được góc quay của động cơ. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của động cơ như sử dụng resolver, tốc độ kế {tachometer)
hoặc dùng encoder, ...Sau đây ta sẽ xem xét một số loại cảm biến vị trí được dùng rộng rãi trong công nghiệp.
5.2.3.1. Resolver
Resolver là thiết bị đo kiểu tương tự dùng để xác định góc quay, chiều quay, tốc độ quay của rôto động cơ servo. Resolver hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. Cấu tạo của resolver không có chổi than gần giống động cơ xoay chiều loại nhỏ (hình 5.26) gồm có rôto và stato. Trên rôto có một cuộn dây đồng quấn quanh trục resolver, stato gồm hai cuộn dây bằng đồng đặt lệch tửiau 90°.
Biến áp xoay
Cuộn dây rôto
Cuộn dây và SIN và c o s
Hình 5.26: Cấu tạo cùa resolver không cỏ chổi than
Trong thực tế, resolver thường được kết nối với trục động cơ qua một khớp nối và khi động cơ quay sẽ làm quay rôto của resolver. Đẻ cấp nguồn cho rôto của resolver, ta câp điện áp nguôn thích họp cho biên áp xoay đê tạo nên một từ trường. Khi rôto quay trong vùng từ trưòaig này, một dòng điện cảm ứng sẽ phát sinh trong cuộn dây của rôto và đến lưọft nó tạo nên một từ trường tác động lên hai cuộn dây của stato làm phát sinh các dòng điện cảm ứng bên trong các cuộn dây. Khi đó, ở đầu ra của hai cuộn dây stato sẽ có tín hiệu sóng hình sin hay cos và có độ lớn ứng với từng vị trí của rôto. Trên cơ sờ hai sóng ra này, ta có thể xác định được vị trí của trục quay (hình 5.27).
Khi cuộn dây rôto được kích thích bằng dòng điện xoay chiều Vr: Vr(t)= Vo.sin((0t), cor là tần số kích thích
Điện áp cảm ứng trên các cuộn dây stato được tính theo các công thức: Vs(t) = k.Vr(t).sin0= k.Vo.sincùrt.sinG
Vc(t) = k.Vr(t).cos0 = k.Vo.sincOft.cosG Trong đó:
+ k - hệ số tỉ lệ biến đổi của resolver + 6 - góc quay của trục resolver
Từ các công thức trên góc quay của trục resolver được tính qua công thức:
( S i n e \ rl٠;(t)
(S ìn 0 \ ĩV^ 'Á O ‘
؛؛ c . s A — j V c«V rC٠S (٥) S2
Hình 5.27: Nguyên lý hoạt động của resolver (transmitter)
Đối với resolver dùng cho mục đích đo tốc độ {resolver control transformer) có nguyên lý hoạt động được trinh bày ờ hình 5.28.
Hình 5.28: Nguyên ly hoạt dộng của resolver (transformer)
Khi hoạt dộng, ta cấp nguồn clro hai cuộn dây của stato, dòng diện chạy trong các cuộn dây tạo nên các từ trường tưong ứng. Khi dộng co quay sẽ làm quay rOto của resolver, tuỳ thuộc vào V ؛ tri của rOto mà từ trưCmg của các cuộn dây stato gây nên dOng dỉện cảm ứng có giá tr؛ diện áp khác nhau trong cuộn dây rOto., Tuỳ thuộc vào giá trị diện áp trên rOto, ta sẽ xác d؛nh dược tốc độ qua của trục rôto (trục dộng co). Ta biết rằng diện áp ra của rOto tỉ lệ với sin(0 - ﺅ) (với ﺅ là góc lệch pha giữa dOng diện và diện áp cấp cho stato).
Resolver có kết nối hai pha dến stato. Synchro là một dạng của
resolver nhưng có kết nối ba pha dến stato.
Hình 5.29 minh hoạ kết họp do góc quay và tốc độ quay của rOto sử
C0NTR٠ا Cه NTR0ا TRANSM!TTER TRANSF.RMER Mạch điện lử Th!él b! thu quang Bĩa cố định Đĩa mã hóa Hình 5.29: ửng dụng kếl hợp resolver và synchro 5.2.3.2. Encoder
Encoder là thiết bị dUng dể xác dinh góc quay, chiều quay, tốc độ quay của trục dộng cơ, trục công tác.
Hệ thống encoder quang học bao gồm: nguồn phát quang (hồng ngoại, dèn LED), thỉết bị thu quang (cảm biến), dĩa mâ hoá dược nối với trục công tác, mạch diện tử dUng xử lý các tin- hiệu từ thiết bị thu quang và phát sinh tin hiệu ra. Một số encoder còn có dĩa cố định {mask) tạo nên một khe hẹp giUp cho việc dọc
encoder dược chinh xác hơn. Khi dĩa mâ hóa quay, ánh sáng sẽ xuyên qua nơi có lỗ (rẵnh) tác dộng lên thiết bị thu quang. Dựa 'vào hình dạng của dĩa mẫ hóa, encoder dược chia thành hai loại: encoder tương dốỉ
^Incremental encoder)
encoder 0ﺓ \ (Absolute
encoder). Hình 5.30: Саи tạo của encoder
Encoder tương dốỉ là loại encoder clri có 1,2 hoặc tối da là 3 vOng các lỗ (rãnh) cách dều nhau trên dĩa mã hoá. Mỗi lần quay qua một rãnh, thi
encoder sẽ tăng một dơn vị trong bỉến dếm. Trên dĩa mã hoá của loại
Nguồn phát quang
encoder này còn có một lỗ định vị giúp xác định động cơ đã quay hết một vòng khi lỗ định vị lại quay về vị trí ban đầu.
a) Đĩa có lỗ định vị b) Đĩa có một vòng lỗ Hình Si30: Cẩu trúc đĩa mã hoá của encoder tương dổi
Để xác định chiều quay của trục động cơ có thể dùng loại đĩa mã hoá có hai vòng lỗ lệch nhau (hình 5.3Oa) hoặc sử dụng loại hai nguồn phát đặt lệch nhau (hình 5.3la).
Hoạt động của loại hai nguồn phát đặt lệch nhau như sau: khi đĩa mã hoá quay, hai bộ thiết bị thu quang thu được các xung lần lượt là A và B. Khi xung A đang từ mức cao xuống mức thấp (chỗ mũi tên hình 5.3la) và B đang ở mức thấp, thì xác định được trục động cơ đang quay ngược chiều kim đông hồ. Neu A đang từ mức cao xuông mức thấp (chỗ mũi tên hình 5.3 Ib) và B đang ở mức cao, cho phép xác địnhtrục động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ. Hoặc nói cách khác, khi thiết bị thu quang thu được tín hiệu A trước rồi đến tín hiệu B thì xác định được trục động cơ đang quay thuận chiều, ngược lại thì trục đang quay ngược chiều.
(a) Tin hiệu ngõ ra khi trục quay ngược chiều (b) Tín hiệu ngõ ra khi trục quay thuận chiều r ٦____ r Xung cạnh xuống ■L
Hình 5.31: Cách xác định chiều của trục động cơ
٠ ٠ ^
١
Cách đặt nguồn phát để xác định chiều quay động cơ được trinh bày ở hình 5.32.
1 chu kỹ xuna
Hình 5.32: Cách đột nguồn phát để xác định chiều quay của động cơ Encoder tuyệt đối có đĩa mã hóa được mã hoá bằng mã Gray. Có nghĩ là đĩa có nJhieu vòng lỗ và do đó cần nhiều nguồn phát và nguồn thu quang hơn loại encoder tương đối. Loại encoder này có độ chính xác cao hơn loại
encoder tương đối. Hình 5.33 trình bày cấu trúc của một encoder tuyệt đối với 5 nguồn phát quang.
Đĩa cố định Nguồn phát quang Thiết bị thu quang Trục động cơ Đĩa mã hóa
Hinh 5.33: cấu trúc của encoder{\xyèX đối
Khi đĩa mã hóa quay, thiết bị thu quang nhận được các tín hiệu khác nhau và mạch điện tử sẽ chuyển đổi chúng thành các tín hiệu nhị phân dưới dạng mã Gray. Các tín hiệu nhị phân này được xử lý để xác định vị trí, chiều và tốc độ của trục quay. Hình 5.34 trình bày một loại đĩa mã hóa có 4 vòng lồ. Ví dụ, ở vị trí 1 sẽ có mã Gray là 10001, vị trí 4 là 10100,...
Vòng ma chung Vòng mă bit cao nhất Vòng mă bit thấp nhất
Hình 5.34: cấu trúc đìa mã hoá của encoder tuyệt đổi
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Động cơ bước, động cơ servo là gì? So sánh hai loại động cơ đó. 2. So sánh sự khác nhau giữa các loại động cơ bước?
3. Trình bày hệ điều khiển động cơ bước.
4. Trình bày cách điều khiển động cơ bước bằng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM).
5. Thế nào là resolverl Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của resoỉverl
6. Thế nào là encoder"? Phân loại encoder. Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của encoder!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lâm Huỳnh Trang, Lê Trọng Hiéu. Động cơ servo - NXB Đại học Quốc gia TP.HỒ Chi Minh, 2008
[2] Douglas w. John, Đoàn Hiệp (Người dịch). Điều khiển động cơ bước - Đại học Bách khoa TP.HỒ Chí Minh, 2008
[3] Bùi Quý Lực. Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp - NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006
[4] Paul E. Sandin. Robot Mechanisms and Mechanical Devices Illustrated - McGraw-Hill Professional, 2003