CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1. Động cơ servo là một trong những loại động cơ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa. Việc nghiên cứu về động cơ servo giúp hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó.
Công nghệ động cơ servo ngày càng phát triển và có nhiều ứng dụng mới. Việc nghiên cứu về động cơ servo giúp áp dụng công nghệ mới vào các lĩnh vực khác nhau như robot công nghiệp, máy móc tự động hoặc thiết bị y tế. Nghiên cứu về động cơ servo còn giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng và tăng cường độ chính xác trong điều khiển và vận hành. Việc nghiên cứu động cơ servo cũng giúp tạo ra những sản phẩm mới, cải tiến các sản phẩm hiện có và nâng cao sự cạnh tranh trên thị trường.
Cuối cùng, nghiên cứu động cơ servo mang lại kiến thức và kinh nghiệm quý giá cho sinh viên trong lĩnh vực công nghệ và tự động hóa. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI − Nghiên cứu về động cơ servo − Nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ servo bằng PLC − Thi công mô hình thực nghiệm 1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU − Tìm hiểu các phương thức giao tiếp với PLC. − Tìm hiểu PLC S7 - 1200 − Động cơ servo − Thiết kế, xây dựng phần cứng của mô hình.
− Chạy thử nghiệm, cân chỉnh và sửa lỗi mô hình. − Nhận xét, đánh giá chung toàn bộ hệ thống. PHẠM VI NGHIÊN CỨU − Thời gian nghiên cứu: 08 tháng − Nghiên cứu lý thuyết và thi công mô hình thực nghiệm 1. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -2- − Nghiên cứu thông số các loại động cơ servo Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -3- − Nghiên cứu sử dụng PLC S7 – 1200 − Thiết kế mô hình thực nghiệm − Thi công mô hình thực nghiệm − Trình bày báo cáo 1.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU − Nghiên cứu lý thuyết − Nghiên cứu thực nghiệm 1. PHẠM VI ẢNH HƯỞNG Sản phẩm của đề tài có thể được sử dụng cho học sinh, sinh viên nghiên cứu học tập thuộc các chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử; Điện công nghiệp; Kỹ thuật lắp đặt điện và điều khiển trong công nghiệp. Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -4- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái niệm Step Motor (Stepper Motor, Stepping Motor) đều là những từ khóa chỉ về động cơ bước.
Step Motor là loại động cơ chấp hành đặc biệt, thường được sử dụng cho các hệ truyền động rời rạc. Step Motor thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết. Step Motor làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc). Cấu tạo động cơ bước Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài.
Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào. Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại. Phần rotor được cấu tạo từ nam châm với 2 điện cực bắc và nam và có Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -5- hình dạng như các bánh răng. Nếu khó hình dung thì bạn hãy tưởng tượng với hai bàn tay của mình, tay trái là cực bắc và tay phải là cực nam.
Khi đặt hai bàn tay chồng lên nhau và xen kẽ các ngón tay với nhau ta được phần rotor của động cơ bước. Phần stator của động cơ bước được cấu tạo từ các cuộn dây điện, trong ví dụ này sẽ là 4 cuộn dây điện hoạt động theo cặp và có thể đồng thời bật tắt tạo ra từ trường Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -6- trái dấu theo gặp. Và chúng hoạt động cùng nhau để tạo ra chiều quay cho động cơ bước. Góc quay còn phụ thuộc vào số bánh răng trên rotor và số cuộn nam châm điện ở phần stator 2.
Nguyên lý hoạt động Hãy chia động cơ thành 2 phần trái và phải theo trục động cơ. Khi cấp điện cuộn nam châm bên phải trở thành cực bắc (màu đỏ) còn cuộn nam châm bên trái trở thành cực nam (màu xanh). Làm cho rotor quay một bước và lúc đó một bánh răng có tính cực nam sẽ bắt khớp vào bánh răng của cuộn nam châm bên phải có tính cực bắc. Tương tự với bên trái.
Tiếp đến cuộn nam châm bên dưới sẽ được cấp điện và mang tính cực bắc, cuộn nam châm phía trên sẽ mang tính cực nam. Và cũng như phần đầu, một bánhrăng sẽ khớp với bánh răng còn lại của cuộn nam châm. Và như vậy rotor quay được thêm một bước nữa. Cứ như vậy, các cuộn nam châm dọc và ngang thay phiên nhau bật tắt và các bánh răng của rotor lần lượt khớp với các bánh răng của stator.
Tạo nên chuyển động quay theo bước cho động cơ. Phân loại động cơ bước 2. Phân loại theo số pha: Động cơ bước 2 pha: Động cơ bước 2 pha là loại động cơ bước phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa và điều khiển chuyển động nhờ cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và dễ sử dụng. Tuy nhiên độ chính xác thấp hơn so với các loại khác.
Cấu tạo động cơ bước 2 pha gồm có 4 dây: 2 dây cuộn A và 2 dây cuộn B. Rotor có cấu tạo đơn giản, thường là nam châm vĩnh cửu. Stator có 2 cuộn dây được xếp lệch nhau 90o Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 2 pha: Khi cấp điện cho một cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 90 độ. Khi cấp điện cho cả hai cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 180 độ.
Bằng cách thay đổi thứ tự và thời gian cấp điện cho các cuộn dây, có thể điều khiển rotor quay theo các bước nhỏ với độ chính xác cao. Nhược điểm của loại động cơ này là: Mô-men xoắn thấp ở tốc độ cao. Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -7- Tốc độ quay chậm. Dễ bị cộng hưởng.
Cần bộ điều khiển chuyên dụng. Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -8- Hình 2.1: Động cơ bước 2 pha và driver Động cơ bước 3 pha: Động cơ bước 3 pha là loại động cơ bước có cấu tạo phức tạp hơn động cơ bước 2 pha, nhưng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như độ chính xác cao hơn. Cấu tạo gồm 3 dây: 3 dây cuộn A, B, C. Rotor có cấu tạo đơn giản, thường là nam châm vĩnh cửu.
Stator có 3 cuộn dây được sắp xếp lệch nhau 120 độ. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 3 pha: Khi cấp điện cho một cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 40 độ. Khi cấp điện cho hai cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 80 độ. Khi cấp điện cho cả ba cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 120 độ.
Bằng cách thay đổi thứ tự và thời gian cấp điện cho các cuộn dây, có thể điều khiển rotor quay theo các bước nhỏ với độ chính xác cao. Nhược điểm của loại động cơ này là: Cấu tạo phức tạp hơn động cơ bước 2 pha. Giá thành cao hơn động cơ bước 2 pha. Kích thước lớn hơn động cơ bước 2 pha.
Cần bộ điều khiển chuyên dụng phức tạp hơn. Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử -9- Hình 2.2: Động cơ bước 3 pha và driver Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử - 10 - Động cơ bước 5 pha: Động cơ bước 5 pha là loại động cơ bước có cấu tạo phức tạp nhất trong các loại động cơ bước, nhưng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như độ chính xác cao nhất, mô-men xoắn lớn nhất và chuyển động êm ái nhất. Cấu tạo gồm có 5 dây: 5 dây cuộn A, B, C, D, E. Rotor có cấu tạo đơn giản, thường là nam châm vĩnh cửu.
Stator có 5 cuộn dây được sắp xếp lệch nhau 72 độ. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 5 pha: Khi cấp điện cho một cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 14. Khi cấp điện cho hai cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 28. Khi cấp điện cho ba cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 43.
Khi cấp điện cho bốn cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 57. Khi cấp điện cho cả năm cuộn dây, rotor sẽ quay một góc 72 độ. Bằng cách thay đổi thứ tự và thời gian cấp điện cho các cuộn dây, có thể điều khiển rotor quay theo các bước nhỏ với độ chính xác cao nhất. Nhược điểm của loại động cơ này là: Cấu tạo phức tạp nhất trong các loại động cơ bước.
Giá thành cao nhất trong các loại động cơ bước. Kích thước lớn nhất trong các loại động cơ bước. Cần bộ điều khiển chuyên dụng phức tạp nhất.3: Driver động cơ bước 5 pha 2. Phân loại theo kiểu rotor: Động cơ bước rotor nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor): Sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường.
Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, nhưng Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Khoa Điện – Điện tử - 11 - mô-men xoắn thấp.