BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
*********
ĐỒ ÁN
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
ĐỀ TÀI:TÌM HIỂU VỀ HỆ TĐĐ SERVO
Giáo viên hướng dẫn: THs Nguyễn Đăng Khang
Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Thanh Hiếu
2.Trần Văn Thái 3. Cao Xuân Hướng
4.Phan Thanh Liêm
Lớp: ĐH Tự Động Hóa 2_K5
Tháng 12 năm 2012
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,đặc biệt là ngành điện-tự động hóa đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp.Đối với điều khiển chuyển động trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao,việc điều khiển tốc độ hay vị trí của các cơ cấu cơ học là hết sức quan trọng.
Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực.Chính vì thế việc điều khiển động cơ và ghép nối chúng thành một hệ truyền động tự động là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ.
Sau một thời gian làm việc,nghiên cứu,tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài “Tìm hiểu về Hệ TĐĐ servo”.Bài làm còn dựa trên nhiều lý thuyết,vì vậy chúng em đang hoàn thiện và cố gắng thực hiện trong thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN ĐĂNG KHANG và các thầy cô trong bộ môn đã giúp nhóm em hoàn thành đồ án này.
MụcLục
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐĐ SERVO 3
1 Hệ tđđ servo 3
2 Đặc điểm hệ tđđ servo8
CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO11
1 Sơ đồ khối11
2 Sơ đồ nguyên lí11
2.1 Các phần củamột dc servo12
2.2 Servo vàđiềubiếnđộrộngxung12
2.3 Điềukhiển servo.14
3 Cácmạchvòngđiềukhiển15
CHƯƠNG III:TÌM HIỂU VỀ AC SERVO MOTOR VÀ DRIVER SGDHSIGMA II-YASKAWA16
1 Thông số kĩ thuật16
1.1 Sự khác biệt so với motor thường17
1.2 Các loại và tính năng của servo motor20
1.3 Servo Amplifiers24
2 Sơ đồ đấu dây27
3. Thông số cài đặt và tham số32
3.1 Cài đặt theo đặc điểm thiết bị33
3.2 Cài đặt theo máy chủ điều khiển40
3.3 Thiết lập Servo Amplifiers55
3.4 Thiết lập chức năng dừng58
CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG SERVO MOTOR61
4.1 Làm phim62
4.2 Máy hàn63
4.3 Băng tải64
4.4 Máy khoan65
4.5 Máy dán nhãn66
4.6 Hướng phát triển69
CHƯƠNG V KẾT LUẬN70
CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TĐĐ SERVO
1. Hệ TĐĐ servo.
Nó là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí hoặc tốc độ mục tiêu giá trị.
Cơ cấu định vị:
Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vị trí và tốc độ. Sau đây là một số ví dụ về các cơ cấu định vị:
Cơ cấu định vị đơn giản :
Các vị dụ về cơ cấu này đó là xy lanh hay trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm
Ưu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ cao.
Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor
Cơ cấu này có thể được điều khiển vòng hở, nửa kín hay vòng kín
Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đich và tốc độ của cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chuyển động định hướng
Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định từ bộ điều khiển. Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến hay quay.
Ưu điểm là cơ cấu chấp hành đơn giản và nâng cao tuổi thọ hộp số truyền động (do truyền động khá êm).
Backlash và hiệu chỉnh:
Backlash hiểu nôm na đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo.Tất cả các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0). Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:
Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo.Chuyển động tới và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình. Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không được vượt quá khoản trống (đây là một trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo). Giới hạn này được gọi là backlash. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có một sự bù trừ cho nó. Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiện việc bù trừ, hiệu chỉnh này. Như trong hình vẽ
trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệu chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽ không được tính đến trong bộ đếm xung.
Hệ thống điều khiển
Có ba dạng :
Điều khiển vòng hở:
Nghĩa là bộ điều khiển vị trí chỉ đặt lệnh cho động cơ quay mà thôi.
Điều khiển nửa kín:
Ở đây số vòng quay của step motor được mã hóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí. Nghĩa là đến đây thì động cơ step chỉ quay một số vòng nhất định tùy thuộc vào “ lệnh” của bộ điều khiển vị trí, nói cách khác bộ điều khiển vị trí có thể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồ của người thiết kế.
Điều khiển vòng kín
Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông qua một thướt tuyến tính. Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ.
Cấu hình của hệ thống servo:
Động cơ servo
Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sử dụng cảm ứng từ nói chung là nó có một máy dò để phát hiện tốc độ quay và vị trí.
Bộ điều khiển (Tính hiệu đầu vào)
Điều khiển tốc độ đông cơ servo quay với một tốc độ tương ứng với tính hiệu điện áp đầu vào. VÌ vậy nó giám sát tốc độ quay của đông cơ trong mọi thời điểm.
2.Đặc điểm hệ TĐĐ servo.
Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30 kW. Vì hệ TĐ không cần được thiết kế cho chế độ dài hạn
Quan trọng hơn là giá trị mômen danh định Mb mà hệ TĐ có thể tạo nên và khả năng quá tải mômen ngắn hạn (Mmax/Mb), gắn liền với tốc độ quay tối đa Nmax cũng như phạm vi ĐK tốc độ quay, bao gồm cả hai chiều và tốc độ quay bằng không. Số liệu về khả năng độ chính xác chạy đồng đều ở tốc độ quay thấp tới mức nào, cần được bổ sung vào tài liệu kỹ thuật. Đối với ĐK đặt vị trí hay đặt góc còn cần thêm cả các số liệu về độ phân giải của vị trí.
Hiện tại có thể coi các thông số danh định sau đây là giá trị định hướng cho hệ TĐ Servo:
+Mômen quay danh định Mb: tới 200 Nm (đôi khi có thể tới 500 Nm)
+Quá tải mômen quay Mmax/Mb: 3 … 10
+Giới hạn trên của tốc độ quay Nmax: 20.000 min-1
+Độ phân giải đo vị trí trục động cơ: tối đa 4.600.000 bước ứng với 0.00010
+Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn bảo đảm quay tròn đều: 0.01 min-1
+Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số: 0.1 µm
2.1.Đặc điểm
♦ Khả năng quá tải về mômen quay cao (Mmax/Mb ≈ 4 … 10)
♦ Khả năng giá tốc lớn (dω/dt|max = Mmax/Jges), vốn được coi là đặc điểm quan trọng của các kết cấu trục chuyển động, dẫn đến đòi hỏi động cơ và các kết cấu đi kèm (hộp số, côn nối) cần phải có quán tính nhỏ (FI nhỏ)
♦ Công suất động tối đa lớn (limit dynamic power) theo định nghĩa (Biến thiên của công suất L = Mmax ⋅ |dω /dt|max)
♦ thông thường cần có một phạm vi rộng ĐK tốc độ tuyến tính (kể cả tốc độ quanh điểm đứng im!)
2.2Một số đòi hỏi khác về kết cấu đối với hệ TĐServo:
Thoát nhiệt tốt kể cả ở trạng thái đứng im (dự kiến sẵn làm mát độc lập)
Ngăn ngừa truyền nhiệt qua trục động cơ tới đối tượng TĐ (tới phụ tải)
(đòi hỏi về cấp chính xác đối với máy công cụ, động cơ KĐB bất lợi với vai trò
động cơ ĐK vì có tổn thất lớn trong Rotor)
Sự đồng đều của chuyển động (trước hết ở tốc độ quay nhỏ)
Tích hợp động cơ ĐK trực tiếp vào đối tượng TĐ
(kết cấu gọn, bền)
Tích hợp khâu đo tốc độ quay và vị trí vào động cơ ĐK(tiết kiệm không gian và hạ giá thành)
Hình 2:Tích hợp động cơ và cảm biến đo vị trí,đo tốc độ quay(nhỏ gọn,giá thành hạ)
Hình 3:Tích hợp động cơ điều khiển và trục vit bi thành hệ truyền động tuyến tính giả.
CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO
1.Sơ đồ khối.
Hình 4:Sơ đồ khối của hệ truyền động servo.
2.Sơ đồ nguyên lý.
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở – ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được.Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng 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 bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy 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.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
2.1.Các phần của một servo- Động cơ 1 chiều (motor)
– Biến trở ( potentiometer)
– Hộp giảm tốc (gear box)
– Mạch điều khiển ( Electronic board)
– Vỏ (cover)
– Dây tín hiệu ( signal wire)
Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín.Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V).
Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động
cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo.Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ.
Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục
như động cơ DC hay động cơ bước.
Công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 900- 1800. Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng
2.2. Servo và điều biến độ rộng xung.
Trục của động cơ servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ rộng xung (PWM).Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung.Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây.Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm.
Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như Hình 5)
Hình 5
Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số – chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển.
Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến.Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp.Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến.Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt.Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc.Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn – một servo trung bình có thể quay 60o trong vòng ¼ – ½ giây.
Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp.Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới và lui từ 900 – 1800 khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung. Phần lớn servo có thể quay được 1800 hay gần 1800
Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó , trục ra của động cơ sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ. Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động cơ bị phá hủy.
