Đặt vấn đề: Khi ta cấp điện thì động cơ sẽ 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 động cơ phải quay theo chủ đích của chúng ta là điều không dễ dàng nếu như ta không có các công cụ hỗ trợ tương ứng. 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, cơcấu 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. Khi nói về chuyên đề này ở các học phần: Máy điện, Điều khiển lập trình (PLC), sinh viên rất mơ hồ vì thiếu các mô hình điều khiển trực quan.
Để giải quyết vấn đề này, thiết nghĩ cần phải xây dựng mô hình điều khiển động cơ DC Servo nhằm tăng tính trực quan cho Sinh viên khi học tập và nghiên cứu tại Trung tâm Việt Đức.2 Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mô hình điều khiển động cơ DC Servo phục vụ giảng dạy tại bộ môn Điện - Điện tử, Trung tâm Việt Đức nhằm tăng tính trực quan cho Sinh viên khi học tập và nghiên cứu về động cơ DC Servo.3 Đối tượng nghiên cứu: Động cơ DC Servo và board điều khiển 1.4 Giới hạn nghiên cứu: 3 Luan van Trong phạm vi đề tài “Xây dựng mô hình điều khiển động cơ DC Servo phục vụ giảng dạy tại bộ môn Điện - Điện tử, Trung tâm Việt Đức”, tác giả sẽ xây dựng mô hình động cơ DC Servo kết nối với Board mạch và PLC S7 -1200.5 Tình hình nghiên cứu: Ngày nay động cơ DC Servo đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt là Robot công nghiệp tuy nhiên có một mô hình để Sinh viên học tập một cách trực quan tại Trung tâm Việt Đức là chưa có. 4 Luan van Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỀU CHỈNH CHÍNH XÁC GỐC QUAY 2.1 Khái niệm động cơ Servo Servo (Servus): Nô lệ. Servo đư ợc 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. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled).
Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều 5 Luan van khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này.1: Cấu tạo trong động cơ Servo 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 Ta có thể điều khiển Servo bằng máy tính, Board điện tử hoặc PLC 2.2 Phân loại động cơ servo: 2.1 DC Servo Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ và vị trí.
Mặc dù với sự phát triển của công nghệ điện tử, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tần ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng động cơ DC Servo vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số. Động cơ DC Servo có 2 loại: Có chổi than và không chổi than. a) DC Servo có chổi than DC Servo có chổi than gồm 4 thành phần cơ bản: Stator của động cơ là một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây phần ứng lắp trên roto. Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định được sinh ra từ nam châm vĩnh cữu gắn trên stator tương tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khi có dòng điện chạy qua nó.
Quá trình tương tác đó sinh ra moment tác động lên trục roto. Moment này biểu diễn theo phương trình: 6 Luan van Hình 2.2: Cấu tạo DC Servo chổi than và hệ phương trình Ưu điểm của động cơ DC Servo có chổi than là đơn giản trong điều khiển và giá thành rẻ. Tuy nhiên sử dụng chuyển mạch cơ khí gây ồn, tăng nhiệt độ trên vành góp và quán tính roto cao khi giảm tốc độ. Để khắc phục nhược điểm trên người ta sử dụng động cơ DC Servo không chổi than.
b) DC Servo không có chổi than DC Servo không có chổi than được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điều khiển số. Cấu trúc cơ bản giống như động cơ DC Servo có chổi than nhưng khác là các cuộn pha của động cơ lắp trên stato và roto là nam châm vĩnh cửu. Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban. Roto làm từ vật liệu samari coban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp.
Nhưng giá thành roto cao hơn nhiều so với roto làm từ vật liệu ferti. Chỉ chế tạo cho động cơ có công suất lớn. Để điều khiển chính xác cả về vị trí và tốc độ động cơ DC Servo không chổi than cần phải có mạch hồi tiếp, tín hiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục, tín hiệu hồi tiếp phải cấp liên tục cho mạch điều khiển để đảm bảo chính xác chuyển động. Trong công nghiệp thiết bị mạch hồi tiếp của động cơ thường sử dụng là cảm biến tốc độ (Tachometer) chổi than hoặc không chổi than, sensor hiệu ứng Hall, encoder, resolver và synchro.
Trên động cơ có hệ thống phanh, sensor đo tốc độ, chuyển mạch hiệu ứng Hall, sensor kiểm tra nhiệt độ động cơ. Có 2 kiểu cơ bản của hệ điều khiển động cơ Servo là tương tự và số. Hệ điều khiển Servo kiểu tương tự là sử dụng mạch điện để thực hiên bù sai số vị trí và tốc độ. Hệ gồm các cụm điều khiển cơ bản là: máy tính điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và động cơ một chiều không chổi than.
Mối quan hệ giữa các cụm điều khiển chỉ rõ trong hình với tín hiệu 7 Luan van phản hồi vị trí từ bộ Encoder hoặc Sesolver qua mạch phản hồi để hồi sinh ra sai số tốc độ và sai số được đưa đến hệ điều khiển tốc độ để xử lý cho phù hợp với vị trí. Hệ điều khiển tốc độ chứa mạch phản hồi tốc độ sinh ra từ Tachometer. Tín hiệu được so sánh với tín hiệu được đưa ra từ hệ điều khiển vị trí và sinh ra điện áp, dòng phù hợp bù cho sai số vị trí và tốc độ.2 AC Servo Hiện nay trong máy công cụ điều khiển số dùng khá phổ biến động cơ AC Servo, nhược điểm của động cơ AC Servo là hệ điều chỉnh tốc độ động cơ phức tạp và đắt tiền so với động cơ DC Servo. Hệ điều khiển tốc độ động cơ AC Servo dựa trên cơ sở biến đổi tần số.
Tốc độ động cơ được xác định theo tần số nguồn. Một trong những phương pháp điều khiển tốc độ động cơ AC Servo là biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều nhờ bộ chỉnh lưu 3 pha, sau đó biến đổi dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều nhưng ở tần số đã được lựa chọn. Nguyên lý hoạt động: Đây là một động cơ góc quay 120 độ cho mỗi bước. Rotor trong động cơ có 2 răng.
Stator có ba cực cách nhau 120 độ. Khi cuộn một kích điện thì răng của rotor bị hút vào cực một. Nếu dòng qua cuộn một bị ngắt và đóng dòng cho cuộn hai, rotor quay 120 độ ngược kim đông hồ và răng của rotor sẽ hút vào cực hai. Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta cần cấp điện liên tục luân phiên cho ba cuộn dây.
Bảng dưới đây thể hiển rõ quá trình hoạt động của động cơ servo. 8 Luan van Các đặc điểm hoạt động động cơ AC Servo 9 Luan van Sư ̣ khác nhau giữa DC Servo và AC Servo: - Nam châm vĩnh cửu được gắn sẳn trên roto - từ trường quay. - Cuộn dây được cung cấp trên các Stator - tĩnh phần ứng.3 Sư ̣ khác biêṭ giữa đô ̣ng cơ thường với đô ̣ng cơ servo: Về kết cấu và hoạt đông của động cơ servo về cơ bản giống động cơ thường. Nhưng thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiê ̣n cơ khí.
Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo. Động cơ servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. a) Tăng tốc độ đáp ứng tốc độ: Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng 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.
Các động cơ thường không thể đáp ứng được điều này.Để 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. 10 Luan van Muốn như vậy ta cần giảm 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 bỏcơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng 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.
Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ và tăng khả năng từ tính của nam châm. b) Tăng khả năng đáp ứng: Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số.