Chương I: TONG QUAN HE SERVO Chương này trình bày khái niệm về hệ servo, cùng các đặc điểm về cấu tạo, đặc tính, hoạt động của một động cơ servo.1 Các phương pháp điều khiển hệ thống: Sự phát triển của nền công nghiệp luôn gắn liền với các hệ thống điều khiển. Công nghệ càng hiện đại đòi hỏi hệ thống điều khiển càng phức tạp, đáp ứng theo hoạt động của hệ thống. Có hai phương pháp điều khiển chính trên một hệ thống công nghiệp: - ____ Điều khiển vòng hở (Open Loop): Đặc điểm của phương pháp này là tín hiệu điều khiển chỉ đi một chiều từ mạch điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Do đó, hệ thống sẽ không phát hiện khi có sai lệch giữa yêu cầu điều khiển và hoạt động thực tế của cơ cấu.
Tiêu biểu cho hệ điều khiển vòng hở là hệ thống điều khiển động cơ bước. ROL MOTOR SIGNAL GOES IN ONE DIRECTION: Hình HI.1: Hệ điều khiển vòng hở -_ Điểu khién vong kin (Close Loop): Với phương pháp này, ngoài tín hiệu điều khiển tác động đến cơ cấu chấp hành còn có tín hiệu hồi tiếp từ cơ cấu về mạch điều khiển cho biết trạng thái của hệ thống. Do đó, khi có sai lệch trong hoạt động của cơ cấu thì mạch điều khiển sẽ có những thay đổi cho phù hợp. TRANG - 7 ASIGNAL GOEFS OUT.
FEEDBACK EVICE CONTROL anes ~ ——— AND A SIGNAL RETURNS Hình HI.2: Hệ điều khiển vòng kín 1.2 Hệ thắng điều khiển Servo: Khái niệm Servo không chỉ riêng cho một thiết bị nào đó mà được dùng để chỉ đến một chức năng hoặc một công việc của hệ thống. Một hệ servo tiêu biểu được mô tả trong hình H1.3 POAT SUPPLY “TC” PONIE LOWEEVTI. THIẾT LEVRI, rOWEit FOWIR ixrrgescy: | COMMAND. CONTROL, PLN ID Hình H1.3: Hé Servo Trong hình HI.3, tín hiệu điều khiển của người dùng từ khối Interface-Panel được đưa đến mạch điều khiển vị trí Pro-Positioning-Controller của hệ servo.
Bộ điều khiển nảy được lập trình dé tác động đến một động cơ điều khiển tải. Tín hiệu tác động phải qua mạch giao tiếp Servo-Control (Amplifier) để điều khiển động cơ. Điện áp cao cần có để động cơ quay tốc độ cao, và đòng điện lớn cần có để động cơ có mo-ment lớn khi có tải nặng. TRANG -8 Khi động cơ quay có thể tác động đến tải làm thay đổi vị trí, tốc độ.
Đồng thời một cơ cấu gan trên trục động cơ cũng sẽ quay theo, tạo ra tin hiéu héi tiếp Feed-back quay về bộ điều khiển. Dựa vào tín hiệu này, bộ điểu khiển sẽ biết được động cơ làm tải chuyển động đúng hay không. Nếu có sai số trên tải thì bộ điều khiển sẽ tự tạo ra tín hiệu điều chỉnh cho phù hợp. Như vậy, khái niệm servo liên quan đến một hệ thống có nhiều thiết bị hoạt động theo phương pháp điều khiển vòng kín.
Hệ này được sử dụng trong việc điều khiển vị trí, chiều quay, tốc độ chuyển động của một cơ cầu nào đó.4 mô tả hệ servo làm cơ cầu định vị sử dụng phương pháp điều khiển vi tri. Servo moleqt———>i fe] Position MIE controller Ce et poco Servo motor Position controller Hình HI.4: Cơ cầu định vị Hệ thống này có ưu điểm là độ chỉnh xác cao, đáp ứng tốc độ nhanh.5 mô tả hệ servo làm cơ cấu định hướng, điều khiển chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Hệ thống này có ưu điểm là cơ cầu chấp hành đơn giản, tuổi thọ hộp số truyền động cao do truyễn động êm. Linear motor 7 =—— C4 Position controller Position controler Stator (coiling side) Hình HI.5: Cơ cấu định hướng TRANG -9 13 Cấu tạo động cơ servo: Động cơ servo có nguyên lý cầu tạo phần điện và từ giống như các loại động cơ AC, DC thông thường (có phần cảm, phẩn ứng, khe hở từ thông, cách đấu đây).
Tuy nhiên động cơ này có sự khác biệt về cấu trúc cơ học, đó là có hình dáng dài, đường kính trục và rotor nhỏ hơn động cơ thường có cùng công suất, cing moment. Điểm nỗi bật của động cơ servo là tích hợp sẵn cơ cấu hồi tiếp, được điều khiển băng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi tiếp vận tốc và vị trí, hệ thống điều khiển sẽ điều khiển họat động của động cơ servo theo ý muốn. Vì vậy nên cảm biến đo vị trí hoặc tốc độ (encoder hoặc máy phát tốc) là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho một động cơ servo.
Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó là déng co servo AC dua trên nên tâng động cơ AC lằng sóc, động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC và động cơ servo AC không chỗi than dựa trên nền tảng động cơ không đông bộ. Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo. Động cơ servo la déng cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. Chính vì thế nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển.
Tùy theo nhu câu điều khiển mà động cơ servo có một số điểm cải tiễn so với động cơ thông thường để phục vụ cho các mục đích điều khiển cụ thể. Motor cable NG Mounting bot holes (4) Flange Hình HI.6: Hình đáng và Cấu tạo của động cơ servo TRANG - 10 1.4 Đặc tính: Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống điều khiển vòng kín. Tín hiệu hồi tiếp từ động cơ được đưa về mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được thông báo về mạch điều khiển này.
Nếu có bề: kỳ lý đo nào tác động đến chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển sẽ liên tục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được vị trí và tốc độ mong nuốn. Đặc tính vận hành của một động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển.1 Tăng tốc độ đáp ứng: Với các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoản thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất.
Ví dụ: cần điều khiển một cơ cấu từ vị trí X1 đến vị trí X2. Lúc đầu khi ở xa vị trí X2 thì động cơ quay với vận tốc lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X2 đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lễ vị trí. Các động cơ thường không thể đáp ứng được điều nảy. Dé động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.7: Dudng đặc tinh đáp ứng tốc dé cia servo motor Muốn vậy cần gidm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ.
Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng đồng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. TRANG - II Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm).2 Tang kha nang dap img: Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là su tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gan như là một hằng số.8: Đường đặc tính gia tốc của servo motor Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính. Đẻ làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.
Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn đây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng tử trong mạch từ khe hở không khí.3 Mở rộng vùng điều khiển: Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một đãi tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp định mức.9: Đường đặc tính điện áp của servo motor TRANG - 12 Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ (nghĩa là động cơ làm việc ở đoạn phía dưới cách xa đoạn cùi chỏ (knee poinÐ). Như vậy động cơ servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm dắt hiếm.4 Khã năng ôn định tốc độ: Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ỗn định.10: Đường đặc tinh én định tốc độ servo motor Không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế. Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay & 1750 rmp mà nó chỉ dao động quanh giá trị này, Động cơ servo khác biệt với động cơ thưởng là ở chỗ độ én định tốc độ khá cao.
Các động cơ servo loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng đôi hỏi tốc độ chính xác (như robot). Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dong tir trong mach tir lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khá đặc biệt để có thể đáp ứng được yêu cầu này.5 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ: Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao). Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên bạc đạn cũng như trên chỗi than.
Một động cơ servo có thể mang một số đặc điểm trên để phù hợp với nhu cầu điều khiển của người sử dụng.
