Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực cơ khí chính xác và chế tạo máy, sự phát triển của hệ thống máy công cụ điều khiển số (NC/CNC) đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt đối với hệ thống truyền động chạy dao. Cơ cấu truyền động này bắt buộc phải có khả năng kiểm soát đồng thời, chính xác cả vị trí góc quay và tốc độ làm việc của trục động cơ trong suốt chu trình gia công. Về mặt lịch sử kỹ thuật trước năm 1995, có tới 95% động cơ sử dụng trong xích chuyển động chạy dao của máy công cụ NC/CNC là động cơ một chiều (DC) điều khiển Servo. Mặc dù công nghệ điện tử công nghiệp và các bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều (AC) có bước tiến mạnh mẽ, các hệ thống động cơ Servo DC và sau này là AC Servo vẫn giữ vai trò cốt lõi trong các cơ cấu định vị chính xác của máy công cụ số.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp (do giảng viên Phạm Văn Mạng hướng dẫn) tập trung giải quyết các nội dung kỹ thuật sau:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và phân loại các dòng động cơ Servo sử dụng trong công nghiệp, bao gồm động cơ Servo DC (loại có chổi than và không có chổi than) và động cơ AC Servo.
  2. Thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ điện - cơ, phương trình mômen tải và đặc tính vận hành của động cơ Servo trong hệ thống truyền động.
  3. Phân tích nguyên lý cấu tạo, mạch lực điện tử công suất, phương pháp chuyển mạch điện tử sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall kết hợp điều chế độ rộng xung (PWM), cùng cấu trúc mạch phản hồi vị trí và tốc độ.
  4. Nghiên cứu phương pháp luận trong việc tính toán, lựa chọn công suất động cơ, kiểm soát quán tính tải quy đổi qua hộp giảm tốc và kỹ thuật bù khe hở cơ khí (backlash).
  5. Khảo sát cấu hình thực tế, sơ đồ đấu nối ngoại vi, quy trình kiểm tra an toàn vận hành và hệ thống 35 tham số cài đặt của bộ khuếch đại Servo Amplifier Mitsubishi MR-C10A điều khiển động cơ AC Servo.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống truyền động Servo công nghiệp, các mạch điều khiển công suất chuyển mạch, cảm biến phản hồi và thiết bị Servo Amplifier MR-C10A của hãng Mitsubishi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích cấu trúc phần cứng, sơ đồ khối mạch lực, mạch phản hồi tương tự/số và thiết lập chế độ vận hành thực tế cho động cơ Servo trong máy công cụ CNC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý điện từ học cổ điển, lý thuyết máy điện và lý thuyết điều khiển tự động truyền động điện:

  • Phương trình mômen điện từ sinh ra trên trục động cơ DC được xác định bởi sự tương tác giữa từ trường cố định và dòng điện phần ứng: $$T_m = K_e \cdot \sin\theta$$ Trong đó, $T_e$ là mômen động cơ, $K_e$ là hệ số động cơ phụ thuộc mật độ dòng từ $\Phi$ và dòng phần ứng $I_a$, $\theta$ là góc giữa vectơ từ trường cố định của stator và vectơ dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng của rotor. Mômen đạt cực đại khi $\theta = 90^\circ$ (vectơ từ trường vuông góc với vectơ dòng điện) và triệt tiêu khi $\theta = 0^\circ$ (hai vectơ song song).
  • Quan hệ giữa tốc độ quay và các thông số điện của động cơ một chiều: $$T_{đc} = K_m \cdot I_ư$$ $$E_b = K_b \cdot \omega$$ Trong đó: $T_{đc}$ là mômen từ ($Nm$); $I_ư$ là dòng điện trong cuộn dây phần ứng ($A$); $E_b$ là điện áp phản điện động ($V$); $K_m$ là hệ số mômen ($kgm/A$); $K_b$ là hệ số điện áp phản điện ($V/(vòng/phút)$); $\omega$ là vận tốc góc của trục động cơ ($vòng/phút$ hoặc $rad/s$).
  • Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng theo định luật Kirchhoff: $$V_ư - R_ư I_ư = K_b \cdot \omega$$ Trong tính toán kỹ thuật, thành phần điện cảm cuộn dây phần ứng $L_ư$ rất nhỏ so với điện trở $R_ư$ ($L_ư \ll R_ư$) nên được bỏ qua.
  • Phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ: $$T_m = T_đ + T_s + T_c$$ Với các thành phần mômen thành phần: $$T_đ = J_{đc} \frac{d\omega}{dt}$$ $$T_s = f_{đc} \cdot \omega$$ $$T_c = J_m \frac{d\omega}{dt} + f_m \cdot \omega$$ Trong đó: $T_đ$ là mômen động; $T_s$ là mômen tĩnh; $T_c$ là mômen cản; $J_{đc}$ là mômen quán tính của rotor động cơ; $f_{đc}$ là hệ số sức cản nhớt của động cơ; $J_m$ là mômen quán tính tải; $f_m$ là hệ số cản nhớt của tải. Để động cơ duy trì chuyển động quay, điều kiện cân bằng là $T_m = T_{đc} = K_m \cdot I_ư$.
  • Quan hệ gia tốc góc trong quá trình khởi động: $$a = \frac{T_m - T_{tải}}{J}$$ Trong đó $a$ là gia tốc góc ($rad/s^2$), $T_{tải}$ là mômen cản của tải và $J$ là tổng mômen quán tính của rotor và tải.
  • Quan hệ quán tính tải quy đổi khi sử dụng hộp giảm tốc: $$J_c = J_{tải} \left(\frac{\omega_{tải}}{\omega_đ}\right)^2$$ Trong đó $\omega_{tải}$ và $\omega_đ$ lần lượt là tốc độ góc của tải và của trục động cơ ($rad/s$).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích giải tích mô hình toán học và khảo sát kỹ thuật thiết bị công nghiệp: phân tích sơ đồ khối vi mạch điều khiển xung, cấu hình chuyển mạch bán dẫn công suất, nguyên lý cảm biến đo lường và khảo sát bảng tham số cấu hình của thiết bị thực tế Mitsubishi MR-C10A. Nguồn dữ liệu hoàn toàn xuất phát từ tài liệu đồ án tốt nghiệp kỹ thuật cơ điện tử.

Thiết kế và triển khai hệ thống truyền động Servo

Hệ thống truyền động Servo bao gồm các tầng mạch lực công suất, khối điều khiển chuyển mạch điện tử và cấu hình thiết bị điều khiển chuyên dụng:

1. Kiến trúc mạch lực và chuyển mạch động cơ Servo DC không chổi than

Mạch lực của hệ thống truyền động động cơ DC 3 pha không chổi than sử dụng 6 bộ biến đổi công suất bao gồm các tầng transistor dẫn dòng vào và dòng thoát mắc theo cấu hình Darlington để khống chế chiều và biên độ dòng điện cấp cho 3 cuộn pha $L_x, L_y, L_z$:

  • Tần số chuyển mạch của bộ biến đổi công suất được thiết lập thông qua mạch dao động đa hài sử dụng vi mạch IC CD4047B (hoặc CD4078B), cung cấp hai ngõ ra đối nghịch $Q$ và $\bar{Q}$ tới cực điều khiển của 2 transistor trường (MOSFET) công suất.
  • Khâu điều chế độ rộng xung (PWM) hoạt động ở tần số thấp dựa trên sự so sánh với sóng mang dạng xung tam giác tạo ra từ mạch máy phát xung chuẩn.
  • Mạch biến đổi đẩy kéo hoạt động với nguồn một chiều 12V: Khi chân $Q$ của CD4047B ở mức cao và tín hiệu Enable (A) ở mức thấp, transistor Q1 dẫn, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp $L_{p1}$ của biến áp xung T1 qua Q3 về đất. Khi $Q$ chuyển xuống mức thấp, dòng sơ cấp ngắt, cuộn thứ cấp $L_{s1}$ phóng dòng qua diode nắn D3 về điểm E nạp cho tụ điện C1. Quá trình ngược pha diễn ra tương tự với cuộn sơ cấp $L_{p2}$, thứ cấp $L_{s2}$ qua Q4 và điểm D, duy trì điện áp anốt ổn định tại điểm E cấp cho Tiristor T1.
  • Biên độ điện áp tại điểm F kiểm soát dòng cực gốc của bộ khuếch đại Darlington và là hàm phụ thuộc trực tiếp vào độ rộng xung tín hiệu chuyển mạch tại điểm B (khi độ rộng xung tăng, dòng cực gốc và dòng collector - emitter của transistor Q6 tăng tương ứng).
  • Khâu bảo vệ quá áp: Gồm Tiristor T1, transistor Q5, diode Zener D7 và các điện trở định thiên R3, R4. Ở chế độ bình thường, các giá trị trở chọn đủ lớn giữ Q5 và T1 luôn khóa. Khi điện áp tại điểm D vượt quá giới hạn an toàn định mức, Q5 và T1 kích mở, kéo điện áp tại các điểm E và F về mức gần bằng 0V, lập tức khóa cụm transistor Darlington để bảo vệ động cơ.

2. Cấu hình phần cứng và vận hành bộ khuếch đại Mitsubishi MR-C10A

Bộ khuếch đại AC Servo Amplifier Mitsubishi MR-C10A điều khiển động cơ AC Servo thông qua các cổng giao tiếp và khối hiển thị:

  • Màn hình hiển thị: Gồm 3 LED 7 đoạn báo trạng thái vận hành, thông số cài đặt và mã lỗi. Trạng thái bình thường khi bật nguồn hiển thị ký hiệu CL.
  • Cổng kết nối ngoại vi: Cổng CN1 kết nối tín hiệu vào/ra I/O (tín hiệu Servo-On SON, tín hiệu công tắc hành trình giới hạn LSP, LSN), cổng CN2 kết nối tín hiệu hồi tiếp từ bộ mã hóa xung (encoder) trên đuôi động cơ, cổng CN3 chuẩn RS232 kết nối truyền thông với máy tính.
  • Nguồn cấp và nối dây: Nguồn xoay chiều một pha 220V đấu vào trạm L1, L2. Ngõ ra công suất U, V, W của bộ khuếch đại đấu nối tương ứng với các trạm U, V, W của động cơ Servo (tuyệt đối không đấu nhầm nguồn AC vào trạm U, V, W). Tiếp địa vỏ máy và khung động cơ bảo đảm an toàn điện.
  • Chế độ chạy thử bằng tay (JOG): Sau khi đóng nguồn và hoàn tất thiết lập tham số, người vận hành kiểm tra chuyển động cơ khí thông qua phím điều khiển trên mặt máy: nhấn phím UP động cơ quay thuận, nhấn phím DOWN động cơ quay ngược.

3. Bảng thiết lập tham số kỹ thuật của bộ điều khiển MR-C10A

Hệ thống tham số điều khiển của MR-C10A bao gồm các tham số cơ bản và tham số mở rộng, được tổng hợp tại bảng dưới đây:

Thứ tự Ký hiệu Tên và chức năng tham số Giá trị ban đầu Đơn vị
0 *RED Chọn phanh tái sinh / lựa chọn âm thanh thấp 000 -
1 ATU Chạy tự động (Auto-tuning) 002 -
2 CMX Hộp số điện tử (hệ số nhân tử số xung lệnh) 1 -
3 CDV Hộp số điện tử (hệ số nhân mẫu số xung lệnh) 1 -
4 PST Hằng số thời gian gia tốc vị trí 5 Pulse
5 INP Dải định vị vị trí hoàn tất (In-position) 100 Pulse
6 *IP1 Chọn bộ lọc tín hiệu đầu vào (Input filter) 010 -
7 *PLS Dạng xung lệnh nhập vào 010 -
8 - Thiết đặt sản xuất mặc định 0 %
9 TLL Giá trị giới hạn quán tính / giới hạn mômen 100 %
10 - Thiết đặt sản xuất mặc định 0 -
11 - Thiết đặt sản xuất mặc định 0 -
12 *BLK Vô hiệu hóa tham số cài đặt 000 -
13 *SIO Lựa chọn tốc độ truyền thông RS232 (Baud rate) 000 -
14 *DMD Tùy chọn trạng thái hiển thị màn hình 000 -
15 ERZ Mức cảnh báo lỗi độ lệch vị trí quá mức 50 Kpulse
16 *OP1 Lựa chọn kiểu điều khiển (vị trí / tốc độ) 001 -
17 SC1 Cài đặt lệnh tốc độ 1 10 $10\ r/min$
18 SC2 Cài đặt lệnh tốc độ 2 100 $10\ r/min$
19 STC Hằng số thời gian gia tốc / giảm tốc 0 $10\ ms$
20 *DIF Lựa chọn chức năng cho chân tín hiệu vào (Input) 210 -
21 *DOF Lựa chọn chức năng cho chân tín hiệu ra (Output) 010 -
22 - Tham số mở rộng chức năng xuất - -
23 GD2 Tỷ lệ mômen quán tính tải trên quán tính động cơ 6 Lần
24 NCH Tần số bộ lọc ngăn chặn rung động (Notch filter) 0 -
25 PG1 Độ lợi vòng điều khiển vị trí 1 (Position Gain 1) 70 $rad/s$
26 PG2 Độ lợi vòng điều khiển vị trí 2 (Position Gain 2) 25 $rad/s$
27 VG1 Độ lợi vòng điều khiển tốc độ 1 (Speed Gain 1) 120 $\times 10$
28 VG2 Độ lợi vòng điều khiển tốc độ 2 (Speed Gain 2) 60 $rad/s$
29 VIC Bù tích phân vòng điều khiển tốc độ (Integral) 20 $\times 10$
30 VDC Bù vi phân vòng điều khiển tốc độ (Derivative) 980 $rad/s$
31 MVC Bộ kiểm soát chống rung động cơ học 000 $ms$
32 - Thiết đặt sản xuất mặc định 412 -
33 *OP2 Lựa chọn tính năng mở rộng 1 A00 -
34 - Thiết đặt sản xuất mặc định 0 -

(Ghi chú: Đối với các tham số có ký hiệu dấu *, việc thay đổi giá trị chỉ có hiệu lực sau khi tắt nguồn và bật lại bộ điều khiển).

Nội dung chính theo từng chương

Toàn bộ phần văn bản được cung cấp thuộc Chương 1 của đồ án tốt nghiệp, bao gồm các tiểu mục cụ thể sau:

Chương 1: Giới thiệu động cơ Servo

1.1 Phân loại động cơ Servo

Tác giả trình bày bức tranh tổng thể về hai dòng động cơ Servo chính:

  • Động cơ Servo DC có chổi than: Gồm 4 thành phần cơ bản với stator là nam châm vĩnh cửu và rotor chứa cuộn dây phần ứng. Ưu điểm nổi bật là cấu trúc mạch điều khiển đơn giản và giá thành thấp. Tuy nhiên, việc tồn tại cụm vành góp và chổi than cơ khí làm phát sinh tia lửa điện gây ồn, gia tăng nhiệt độ tiếp xúc và làm tăng đáng kể mômen quán tính rotor, hạn chế khả năng đảo chiều và đáp ứng nhanh khi giảm tốc.
  • Động cơ Servo DC không có chổi than (Brushless DC): Stator bố trí các cuộn dây pha tĩnh, rotor là nam châm vĩnh cửu quay. Rotor thường được chế tạo bằng vật liệu ferit hoặc hợp kim samari-coban (samarium-cobalt). Vật liệu samari-coban sở hữu khả năng tập trung từ lực cao và độ từ dư thấp nhưng giá thành đắt, chủ yếu ứng dụng cho động cơ công suất lớn; trong khi vật liệu ferit phổ biến ở các ứng dụng thông thường. Từ trường quay được tạo ra nhờ mạch chuyển mạch bán dẫn điện tử điều khiển thứ tự cấp điện, loại bỏ hoàn toàn nhược điểm ma sát và mài mòn của chổi than.
  • Cảm biến và cơ chế chuyển mạch: Động cơ servo không chổi than đòi hỏi phản hồi liên tục về tốc độ và vị trí góc trục. Các cảm biến công nghiệp phổ biến gồm cảm biến tốc độ (Tachometer có/không chổi than), resolver, synchro, encoder và cảm biến hiệu ứng Hall. Cấu hình chuyển mạch sử dụng 3 sensor Hall đặt lệch nhau 120° trên vỏ đuôi kết hợp một đĩa từ có rãnh cắt gắn trên trục; khi rãnh đi qua cảm biến, dòng từ gián đoạn làm triệt tiêu điện áp Hall $V_H$, tín hiệu sau đó qua mạch kích Trigger Smith để tạo xung vuông điều khiển chuyển mạch transistor công suất.
  • Hệ thống điều khiển Servo tương tự: Gồm 4 cụm xử lý: máy tính điều khiển vị trí, khâu điều khiển tốc độ, khối động cơ và bộ cảm biến phản hồi (encoder/resolver/tachometer). Mạch điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) tiếp nhận sai lệch giữa tín hiệu đặt từ CNC và tín hiệu hồi tiếp để điều tiết dòng điện bù trừ sai số vị trí và vận tốc.

1.2 Động cơ AC Servo

Hệ thống truyền động chạy dao máy CNC hiện đại chuyển dịch mạnh mẽ sang động cơ AC Servo nhờ sự phát triển của kỹ thuật điều khiển vi điện tử:

  • Khuyết điểm lớn nhất của AC Servo so với DC Servo là mạch biến đổi điều chỉnh tốc độ có độ phức tạp cao hơn và chi phí chế tạo đắt tiền hơn.
  • Nguyên lý điều khiển tốc độ của AC Servo dựa trên sự biến đổi tần số nguồn cấp: Dòng điện xoay chiều được nắn thành một chiều thông qua bộ chỉnh lưu 3 pha, sau đó nghịch lưu thành nguồn xoay chiều có tần số biến đổi tùy biến cấp cho động cơ để định lượng chính xác tốc độ quay theo tần số.

1.3 Lựa chọn động cơ

Mục này cung cấp quy trình phân tích và tiêu chuẩn kỹ thuật khi thiết kế hệ truyền động:

  • Các yếu tố tiên quyết cần đánh giá: Dải điều chỉnh tốc độ, đường đặc tính mômen - vận tốc, khả năng vận hành thuận nghịch hai chiều, chu kỳ làm việc định mức, mômen khởi động và công suất yêu cầu của tải.
  • Đặc tính mômen khởi động: Là giá trị mômen tại vận tốc quay $\omega = 0$. Động cơ chỉ có thể tự khởi động khi mômen sinh ra thắng được mômen ma sát và mômen cản của tải trên trục. Tốc độ cực đại được xác định tại điểm mômen bằng 0 (tốc độ không tải).
  • Phân định ứng dụng:
    • Nếu hệ thống chỉ yêu cầu điều chỉnh vận tốc: Ưu tiên chọn động cơ đồng bộ hoặc động cơ một chiều.
    • Nếu hệ thống yêu cầu dịch chuyển góc theo vị trí rời rạc hoặc gia số với tải trọng nhỏ và vận tốc không quá cao: Chọn động cơ bước (Step motor), điều khiển thông qua tần số cấp xung mà không cần mạch hồi tiếp kín.
    • Nếu hệ thống yêu cầu độ chính xác cao đồng thời cả vị trí và vận tốc dưới tải trọng làm việc liên tục: Bắt buộc sử dụng động cơ Servo (AC hoặc DC) có tích hợp vòng phản hồi vị trí.
  • Vai trò của hộp giảm tốc: Đặc tính tự nhiên của động cơ là tạo mômen nhỏ ở vùng tốc độ cao, do đó hộp giảm tốc được tích hợp để vừa giảm tốc độ đầu ra vừa khuếch đại mômen, đồng thời làm giảm quán tính tải quy về trục động cơ tỷ lệ với bình phương tỷ số truyền.

Hệ thống Servo, cơ cấu định vị và hiện tượng Backlash

  • Khái niệm: Thuật ngữ "Servo" có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp "Servus" mang nghĩa người phục vụ (servant), biểu thị một cơ cấu chấp hành có tính năng tuân thủ trung thành và chuẩn xác mệnh lệnh điều khiển.
  • So sánh cơ cấu định vị: Các cơ cấu định vị cơ khí truyền thống (xi lanh khí nén/thủy lực, trục cam, bộ ly hợp và phanh hãm) có ưu điểm rẻ tiền, cấu tạo đơn giản nhưng kém linh hoạt. Ngược lại, cơ cấu định vị điều khiển bằng motor servo cho phép thay đổi linh hoạt tọa độ đích và tốc độ chạy dao với độ chính xác cao.
  • Phân loại cấu trúc mạch điều khiển:
    • Điều khiển vòng hở: Bộ điều khiển phát xung lệnh cho động cơ quay mà không có mạch đo kiểm hồi tiếp.
    • Điều khiển nửa kín: Tín hiệu phản hồi được lấy từ bộ mã hóa góc quay (encoder) gắn ngay tại đuôi trục động cơ đưa về bộ điều khiển vị trí.
    • Điều khiển vòng kín: Tín hiệu vị trí thực tế của bàn máy được đo lường trực tiếp thông qua thước đo tuyến tính (linear scale) gắn trên băng trượt, giúp triệt tiêu hoàn toàn các sai số truyền động sinh ra bởi khe hở cơ khí của bộ truyền trục vít me - đai ốc hay bánh răng.
  • Xử lý khe hở cơ khí (Backlash): Backlash là vùng trễ/khoảng tự do cơ học xuất hiện tại điểm trung tính khi cơ cấu đảo chiều chuyển động giữa hai chiều âm và dương. Để khắc phục hiện tượng trượt hành trình mà không làm sai lệch số đếm định vị, hệ thống điều khiển Servo thực hiện việc phát các xung lệnh hiệu chỉnh cộng/trừ bù trừ trực tiếp vào vòng điều khiển và các xung hiệu chỉnh này được tách biệt, không tính gộp vào bộ đếm xung vị trí chính của chương trình.

Động cơ AC Servo và Servo Amplifier MR-C10A của Mitsubishi

Mục này mô tả chi tiết phần cứng công nghiệp:

  • Cấu trúc đấu nối Servo Amplifier và động cơ: Nhận diện hệ thống đầu nối dây nguồn, dây nối đất, cáp encoder CN2, cáp truyền thông CN3 và giắc tín hiệu điều khiển CN1.
  • Quy chuẩn kiểm tra an toàn:
    • Cấm thao tác nhấn công tắc điện khi tay ẩm ướt để phòng ngừa nguy cơ điện giật.
    • Tuyệt đối không chạm tay vào các cánh tản nhiệt nhôm của bộ khuếch đại hay vỏ động cơ khi máy đang chạy hoặc ngay sau khi ngắt nguồn vì nhiệt độ bề mặt rất cao, có thể gây bỏng.
    • Đảm bảo cáp động lực và cáp tín hiệu không bị chèn ép bởi mạt phoi kim loại sắc nhọn (metal cut-offs).
    • Kiểm tra trạng thái khóa trục servo (servo-locked) khi tín hiệu SON được kích hoạt.
  • Thao tác vận hành bằng tay và xử lý sự cố: Sử dụng các phím điều hướng UP/DOWN để kiểm tra khả năng quay thuận/nghịch của trục động cơ; tra cứu bảng mã báo lỗi trên LED 7 đoạn để khoanh vùng và xử lý sự cố phần cứng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án mang lại các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

  • Hệ thống hóa lý thuyết máy điện Servo: Đồ án làm rõ bản chất điện từ học của phương trình mômen $T_m = K_e \cdot \sin\theta$, giải thích cơ sở khoa học vì sao việc duy trì góc pha trực giao $\theta = 90^\circ$ thông qua chuyển mạch điện tử là điều kiện bắt buộc để tối đa hóa mômen đầu ra trên trục động cơ Servo DC.
  • Làm rõ cấu trúc mạch lực điều khiển: Phân tích sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi công suất đẩy kéo phối hợp vi mạch tạo dao động CD4047B, mạch điều chế xung PWM tần số thấp và cơ chế dập quá áp bằng linh kiện Tiristor - Diode Zener, cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng cho việc thiết kế mạch kích mở transistor Darlington.
  • Phân định ranh giới ứng dụng cơ cấu chấp hành: So sánh định lượng giữa động cơ bước và động cơ servo, chứng minh việc ứng dụng hộp giảm tốc làm suy giảm quán tính tải quy đổi theo hệ số bình phương tỷ số truyền $(\omega_{tải}/\omega_đ)^2$, bảo đảm điều kiện ổn định động học cho hệ dẫn động.
  • Quy chuẩn hóa cấu hình thiết bị công nghiệp: Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết đối với dòng Servo Amplifier Mitsubishi MR-C10A, bao gồm sơ đồ cổng CN1, CN2, CN3, các bước kiểm tra an toàn điện, thao tác vận hành cưỡng bức bằng tay JOG và bảng tra cứu đầy đủ 35 tham số chức năng từ No. 0 đến No. 34.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của tài liệu: Văn bản đồ án dừng lại ở phạm vi nghiên cứu lý thuyết tổng quan, phân tích sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và tra cứu thông số kỹ thuật của bộ điều khiển MR-C10A. Trong nội dung văn bản chưa xuất hiện các kết quả đo đạc thực nghiệm, dạng sóng dao động ký thực tế tại các điểm kiểm tra A, B, C, D, E, F của mạch lực, cũng như chưa có dữ liệu kiểm thử tải thực tế trên bàn máy CNC.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Xây dựng thuật toán và lập trình ghép nối hoàn chỉnh cổng truyền thông RS232 (CN3) giữa bộ điều khiển MR-C10A với máy tính công nghiệp; triển khai mạch điều khiển vòng kín ứng dụng thước đo tuyến tính quang học để triệt tiêu sai số cơ khí bàn máy; tiến hành đo kiểm thực tế các chỉ tiêu thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và đáp ứng tần số khi thay đổi các giá trị độ lợi vị trí PG1, PG2 và độ lợi vận tốc VG1, VG2.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích phục vụ các đối tượng:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Cơ khí Chế tạo máy có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học truyền động điện và trang bị điện máy công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành và bảo trì máy công cụ CNC: Cung cấp tài liệu tra cứu trực tiếp về cấu hình chân giắc (CN1, CN2, CN3), quy trình kiểm tra an toàn điện, phương pháp chạy cưỡng bức bằng tay và bảng giải thích ý nghĩa 35 mã tham số của dòng biến dòng Servo Mitsubishi MR-C10A.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Phần phân tích mạch công suất đẩy kéo điều khiển chuyển mạch động cơ DC không chổi than (Hình 1.7) và bảng tổng hợp chi tiết các tham số điều khiển độ lợi PID (PG1, PG2, VG1, VG2, VIC, VDC) của bộ khuếch đại MR-C10A.

Câu hỏi thường gặp

1. Trước năm 1995 của thế kỷ trước, tỷ lệ sử dụng động cơ DC Servo trong xích chuyển động chạy dao máy NC/CNC là bao nhiêu?
Theo số liệu thống kê trong đồ án, trước năm 1995 có tới 95% động cơ dùng trong xích chuyển động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC sử dụng động cơ DC Servo.

2. Động cơ bước và động cơ Servo khác nhau ở những điểm cốt lõi nào khi lựa chọn cho hệ dẫn động?
Động cơ bước điều khiển góc quay theo dạng vị trí rời rạc hoặc gia số bằng cách thay đổi tần số cấp xung, chỉ sử dụng cho các hệ thống vòng hở không có mạch phản hồi, chịu tải trọng nhỏ và không hoạt động được ở dải tốc độ quá cao. Ngược lại, động cơ Servo (AC hoặc DC) bắt buộc phải tích hợp mạch phản hồi vị trí, cho phép kiểm soát liên tục cả vận tốc lẫn vị trí với độ chính xác cao dưới các chế độ làm việc phức tạp.

3. Vật liệu nam châm samari-coban có ưu điểm và nhược điểm gì so với ferit khi dùng chế tạo rotor động cơ Servo DC không chổi than?
Rotor làm từ hợp kim samari-coban sở hữu khả năng tập trung từ lực cao và độ từ dư thấp, giúp nâng cao hiệu suất làm việc. Tuy nhiên, nhược điểm là giá thành chế tạo đắt hơn nhiều so với vật liệu ferit, vì vậy samari-coban chỉ được ưu tiên dùng cho các động cơ có dải công suất lớn.

4. Hiện tượng Backlash trong hệ dẫn động Servo được xử lý như thế nào theo phân tích của tác giả?
Backlash là vùng trễ/giới hạn dịch chuyển xuất hiện khi cơ cấu cơ khí đảo chiều giữa chuyển động tới và lùi. Để triệt tiêu sai số này, hệ thống điều khiển Servo phát ra các xung lệnh hiệu chỉnh (cộng hoặc trừ xung) để bù đắp khoảng dịch chuyển tự do của cơ cấu, và các xung lệnh hiệu chỉnh này được xử lý độc lập, không tính gộp vào bộ đếm xung hành trình của hệ thống.

5. Màn hình của bộ khuếch đại Mitsubishi MR-C10A hiển thị trạng thái gì khi vừa cấp nguồn và người dùng thao tác phím nào để chạy thử bằng tay?
Khi cấp nguồn bình thường cho bộ Servo Amplifier MR-C10A, màn hình 3 LED 7 đoạn hiển thị ký hiệu CL. Để kiểm tra vận hành bằng tay ở chế độ JOG, người vận hành nhấn giữ phím UP để quay trục động cơ theo chiều thuận hoặc nhấn phím DOWN để quay trục động cơ theo chiều nghịch.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phạm Văn Mạng đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, mô hình giải tích mômen và cấu trúc phần cứng của hệ thống truyền động động cơ Servo công nghiệp. Công trình phân tích chi tiết nguyên lý chuyển mạch điện tử sử dụng cảm biến Hall kết hợp mạch lực điều chế PWM, đồng thời so sánh tường minh đặc tính kỹ thuật giữa hai dòng động cơ Servo DC và AC. Đặc biệt, đồ án xây dựng quy chuẩn hướng dẫn thực hành đối với thiết bị Servo Amplifier Mitsubishi MR-C10A, cung cấp đầy đủ sơ đồ giao tiếp, quy trình kiểm tra an toàn và bảng thông số cài đặt điều khiển. Đây là tài liệu chuyên khảo mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên kỹ thuật và kỹ sư cơ điện tử làm việc trong lĩnh vực máy công cụ CNC.