Đồ án thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC Servo giao tiếp HMI

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ dc servo giao tiếp hmi, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Huỳnh Việt Luân
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Thế Phong
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Vị Trí Động Cơ DC Servo Với Giao Tiếp HMI
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Tình hình nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.6. Mô tả hệ thống
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ
• 2.1.1. Giới thiệu
• 2.1.2. Phân loại động cơ bước
• 2.1.2.1. Động cơ bước từ trở biến thiên
• 2.1.2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
• 2.1.2.3. Động cơ bước lai
• 2.1.3. Phân loại theo cách quấn dây trên stator
• 2.1.3.1. Động cơ bước đơn cực
• 2.1.3.2. Động cơ bước lưỡng cực
• 2.1.3.3. Động cơ bước đa năng
• 2.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước
• 2.1.5. Giới thiệu động cơ servo
• 2.1.6. Phân loại động cơ Servo
• 2.1.6.1. Động cơ Servo DC
• 2.1.6.1.1. Động cơ Servo DC có chổi than
• 2.2. CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
• 2.2.1. Điều khiển ON/OFF
• 2.2.2. Điều khiển mờ (fuzzy)
• 2.2.3. Bộ điều khiển PID
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG PANEL ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Thiết kế Panel điều khiển
• 3.2. Thi công – lắp đặt các thiết bị kỹ thuật vào hệ thống
• 3.3. Thông số các thiết bị được sử dụng
• 3.4. Thi công Panel điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - LẬP TRÌNH PHẦN MỀM
• 4.1. Hệ thống điều khiển
• 4.2. Sơ đồ các khối điều khiển
• 4.3. Chức năng từng khối
• 4.4. Giải thuật điều khiển
• 4.5. Lập trình phần mềm
• 4.5.1. STEP 7-micro/WIN
• 4.5.2. Touchwin Edit Tool
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Thực nghiệm và chạy thử
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục A: Chương trình điều khiển trong STEP 7-micro/WIN
• Phụ lục B: Thiết kế giao diện HMI trên Touchwin Edit Tool
• Phụ lục C: Chương trình cho VĐK Arduino Mega 2560
• Phụ lục D: Bản thiết kế Panel điều khiển
• Phụ lục E: Nguyên tắc hoạt động của Encoder

Tóm tắt

I. Thiết kế bộ điều khiển

Phần này tập trung vào thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC Servo. Nội dung bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điều khiển động cơ, và thiết kế phần mềm điều khiển. Thiết kế panel điều khiển cũng được xem xét kỹ lưỡng, đảm bảo tính thẩm mỹ, tiện dụng và an toàn. Các yếu tố như mạch nguồn điều khiển động cơ servo, cảm biến vị trí động cơ, và vi điều khiển (ví dụ: Arduino, Raspberry Pi) được phân tích và lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Chức năng chính của bộ điều khiển là nhận tín hiệu từ giao diện HMI, xử lý tín hiệu đó và điều khiển động cơ đến vị trí mong muốn. Quá trình thực hiện thiết kế bao gồm việc vẽ sơ đồ mạch điện, lựa chọn các thành phần điện tử phù hợp, và lập trình vi điều khiển. Việc kiểm tra và đo lường các thông số kỹ thuật của hệ thống sau khi lắp đặt là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác.

1.1 Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch

Phần này tập trung vào việc lựa chọn các linh kiện điện tử cần thiết cho thiết kế mạch điều khiển động cơ. Các linh kiện bao gồm động cơ DC Servo, driver điều khiển động cơ servo, encoder để đo vị trí và tốc độ, và các thành phần điện tử khác như điện trở, tụ điện, IC điều khiển. Việc lựa chọn động cơ DC Servo phù hợp với tải trọng và tốc độ yêu cầu là rất quan trọng. Driver điều khiển động cơ servo cần có khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí động cơ. Encoder cần có độ phân giải cao để đảm bảo độ chính xác của hệ thống. Thiết kế mạch được thực hiện sử dụng phần mềm thiết kế mạch chuyên dụng, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Các yếu tố như khả năng chống nhiễu và độ tin cậy của mạch điện được xem xét kỹ lưỡng. Mục tiêu là tạo ra một mạch điều khiển động cơ ổn định, chính xác và hiệu quả.

1.2 Thiết kế phần mềm và giao diện HMI

Phần này tập trung vào việc phát triển phần mềm điều khiển và thiết kế giao diện HMI. Phần mềm điều khiển được viết dựa trên nền tảng vi điều khiển đã chọn (ví dụ: Arduino IDE, Python cho Raspberry Pi) để điều khiển động cơ DC Servo theo tín hiệu nhận được từ giao diện HMI. Giao diện HMI được thiết kế sử dụng phần mềm chuyên dụng (ví dụ: Touchwin Edit Tool) để người dùng có thể dễ dàng tương tác với hệ thống. Giao diện HMI phải hiển thị thông tin về vị trí và tốc độ của động cơ, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của hệ thống. Việc thiết kế giao diện HMI thân thiện với người dùng là rất quan trọng để đảm bảo khả năng sử dụng của hệ thống. Ngôn ngữ lập trình và các thư viện cần thiết được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và tính ổn định của hệ thống.

II. Điều khiển vị trí động cơ

Phần này tập trung vào điều khiển vị trí động cơ DC Servo. Điều khiển vị trí chính xác là mục tiêu chính của hệ thống. Giải thuật điều khiển được sử dụng là PID điều khiển động cơ servo, một giải thuật phổ biến và hiệu quả trong điều khiển vòng kín. Điều chỉnh tham số PID là một phần quan trọng để đạt được độ chính xác và ổn định mong muốn. Việc mô phỏng điều khiển động cơ servo trước khi triển khai thực tế giúp tối ưu hoá các tham số PID và dự đoán hiệu suất của hệ thống. Điều khiển chuyển động của động cơ cần đảm bảo sự mượt mà và chính xác, tránh hiện tượng rung lắc hoặc sai số tích lũy.

2.1 Thuật toán PID và điều chỉnh tham số

Phần này tập trung vào việc áp dụng thuật toán PID cho điều khiển vị trí động cơ. Thuật toán PID bao gồm ba thành phần chính: P (Proportional), I (Integral) và D (Derivative). Việc điều chỉnh tham số PID (Kp, Ki, Kd) là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Phương pháp điều chỉnh tham số PID có nhiều cách khác nhau, như phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp thử nghiệm. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Mục tiêu là tìm ra bộ tham số PID phù hợp để hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Việc kiểm tra và điều chỉnh lại tham số PID sau khi triển khai thực tế là cần thiết để đáp ứng yêu cầu thực tế.

2.2 Mô phỏng và thử nghiệm

Phần này tập trung vào việc mô phỏng và thử nghiệm hệ thống điều khiển vị trí động cơ. Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng (ví dụ: Matlab/Simulink) để kiểm tra hiệu quả của thuật toán PID và đánh giá hiệu suất của hệ thống trước khi triển khai thực tế. Thử nghiệm thực tế được tiến hành để xác nhận kết quả mô phỏng và hiệu chỉnh hệ thống. Dữ liệu thu thập được từ quá trình thử nghiệm sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống và hiệu chỉnh các tham số của hệ thống. Phân tích kết quả thử nghiệm là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của thiết kế và điều chỉnh hệ thống cho phù hợp với yêu cầu.

III. Giao tiếp HMI

Phần này tập trung vào giao tiếp HMI. Giao diện HMI đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác giữa người dùng và hệ thống. Việc cấu hình HMI cần đảm bảo tính trực quan và dễ sử dụng. Phần mềm HMI được lựa chọn phải tương thích với PLC hoặc vi điều khiển dùng trong hệ thống. Truyền nhận dữ liệu giữa HMI và bộ điều khiển cần được thiết kế an toàn và hiệu quả. Màn hình cảm ứng HMI cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng.

3.1 Thiết kế và cấu hình giao diện HMI

Phần này tập trung vào việc thiết kế và cấu hình giao diện HMI. Thiết kế giao diện HMI cần đảm bảo tính trực quan và dễ sử dụng, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi các thông số của hệ thống như vị trí, tốc độ của động cơ DC Servo. Cấu hình HMI bao gồm việc thiết lập các thông số liên lạc với bộ điều khiển, thiết lập các nút bấm, hiển thị, và các chức năng khác. Phần mềm HMI được sử dụng phải hỗ trợ đầy đủ các chức năng cần thiết. Việc lựa chọn mô hình HMI phù hợp với yêu cầu của hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và tính ổn định của hệ thống.

3.2 Truyền nhận dữ liệu và giao thức liên lạc

Phần này tập trung vào việc truyền nhận dữ liệu giữa HMI và bộ điều khiển. Việc lựa chọn giao thức liên lạc phù hợp là rất quan trọng. Các giao thức liên lạc phổ biến bao gồm Modbus, Profibus, Ethernet/IP, v.v. Thiết kế giao thức liên lạc cần đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy. Kiểm tra và debug giao thức liên lạc là bước quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Hiệu quả của truyền nhận dữ liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Việc chọn phần cứng phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo truyền nhận dữ liệu ổn định và chính xác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền công nghiệp tự động hóa, các dây chuyền sản xuất hiện đại đòi hỏi khả năng vận hành thông minh, độ chính xác cao và khả năng tương tác trực quan giữa con người với máy móc. Hai yêu cầu kỹ thuật nền tảng trong các hệ thống tự động hóa là điều khiển chính xác vị trí, tốc độ của cơ cấu truyền động và thiết lập mạng truyền thông giám sát thời gian thực. Trên thực tế sản xuất, các hệ thống điều khiển công nghiệp thường tích hợp thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với màn hình giao diện người - máy (HMI) để điều hành cơ cấu chấp hành động cơ servo. Tuy nhiên, việc tiếp cận, nghiên cứu và thực hành tích hợp các thiết bị này ở môi trường đại học còn gặp nhiều rào cản do thiết bị công nghiệp có chi phí cao, tài liệu thực hành đồng bộ còn hạn chế và sinh viên ít có cơ hội làm quen trực tiếp với quy trình đấu nối, lập trình hoàn chỉnh một tủ điện công nghiệp.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC Servo - Giao tiếp HMI (phục vụ cho giảng dạy)" do sinh viên Huỳnh Việt Luân và Phạm Việt Trình thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thế Phong tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 1/2016), nhằm xây dựng một mô hình bàn thí nghiệm (panel) hoàn chỉnh phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên đề servo, điều khiển tự động và mạng truyền thông công nghiệp.

Văn bản đồ án xác định hệ thống mục tiêu nghiên cứu cụ thể gồm 4 nhiệm vụ:

1. Thiết kế và điều khiển vị trí động cơ DC servo.
2. Thiết kế và thi công panel điều khiển tích hợp hoàn chỉnh.
3. Xác định và tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID (KP, KI, KD) thông qua tính toán và thực nghiệm.
4. Xây dựng giao diện giám sát, điều khiển người - máy trên màn hình HMI.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển vị trí vòng kín sử dụng động cơ DC servo chổi than hồi tiếp bằng encoder xung quang học, phối hợp với thiết bị điều khiển công nghiệp PLC S7-200, màn hình HMI Touchwin và bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm driver điều khiển trung gian. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; phạm vi thời gian hoàn thành vào tháng 1 năm 2016. Về mặt kỹ thuật, đề tài tập trung vào việc xử lý tín hiệu xung encoder, thuật toán PID vị trí số, truyền thông công nghiệp RS-485 giữa PLC và HMI, cùng kỹ thuật thi công panel điện theo quy chuẩn cơ điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết điều khiển tự động cổ điển kết hợp kỹ thuật vi xử lý và truyền thông công nghiệp. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Lý thuyết về động cơ điện: Nghiên cứu, so sánh đặc tính động học, ưu và nhược điểm của các loại động cơ trong điều khiển số gồm động cơ bước (bước từ trở biến thiên, bước nam châm vĩnh cửu, bước lai; sơ đồ quấn dây đơn cực và lưỡng cực), động cơ AC servo và động cơ DC servo (loại chổi than và không chổi than). Tác giả lựa chọn động cơ DC servo chổi than nhờ ưu điểm điều khiển thuận tiện, phản hồi vị trí thời gian thực và cấu trúc phù hợp với mục tiêu giảng dạy thực hành.
• Lý thuyết điều khiển vị trí: Đồ án phân tích ba giải thuật điều khiển cơ bản gồm điều khiển ON/OFF (độ trễ lớn, độ chính xác thấp), điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - bao gồm các khâu mờ hóa, cơ chế suy luận mờ, giải mờ) và bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID). Trên cơ sở yêu cầu triệt tiêu sai lệch tĩnh và tối ưu thời gian đáp ứng quá độ, tác giả lựa chọn giải thuật PID số. Phương trình điều khiển PID liên tục và dạng vi phân - tích phân xấp xỉ rời rạc được áp dụng: thành phần vi phân được xấp xỉ bằng hiệu số hai lần lấy mẫu liên tiếp chia cho chu kỳ trích mẫu, thành phần tích phân được xấp xỉ bằng phương pháp tổng diện tích hình chữ nhật rời rạc.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát thông số datasheet của linh kiện bán dẫn công suất, vi điều khiển ATmega2560, hướng dẫn kỹ thuật phần cứng của PLC Siemens S7-200 và màn hình cảm ứng Touchwin.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tích hợp hệ thống: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển chuyển đổi mức logic điện áp (24V sang 5V), thiết kế bố trí layout thiết bị trên mặt panel kim loại và lập trình phân tầng hệ thống.
• Phương pháp thực nghiệm và tinh chỉnh thông số: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn và chu kỳ dao động tới hạn theo phương pháp Ziegler-Nichols (Z-N) loại 2, kết hợp phương pháp thử sai (trial and error) trên mô hình phần cứng thật để thu được bộ thông số PID hoạt động ổn định nhất.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu là số liệu thực nghiệm đo đạc tần số xung encoder trên máy hiện sóng, bộ đếm phần cứng vi điều khiển và dữ liệu ghi nhận sai số xác lập vị trí trên mô hình cơ cấu truyền động thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án xây dựng một hệ thống cơ điện tử phân tầng hoàn chỉnh, bao gồm 5 khối chức năng chính: khối giao diện, khối điều khiển, khối công suất, khối cơ cấu chấp hành và khối hồi tiếp vị trí.

Thiết bị / Khối phần cứng	Thông số kỹ thuật chi tiết theo văn bản	Vai trò chức năng trong hệ thống
PLC Siemens S7-200 CPU 222	Bộ nhớ chương trình 2048 bytes; bộ nhớ dữ liệu 1024 bytes; 8 ngõ vào số / 6 ngõ ra số; 1 bộ điều chỉnh tương tự; 2 ngõ đếm tốc độ cao (1 pha: 4–30 kHz, 2 pha: 2–20 kHz); ngõ ra xung DC 2–20 kHz; 1 cổng giao tiếp RS-485; kích thước 90 x 80 x 62 mm.	Cầu nối trung gian giữa HMI và driver; nhận lệnh cài đặt, xử lý logic và nhịp xung điều khiển sang vi điều khiển qua mạch đệm cách ly.
Màn hình HMI Touchwin TH765-M	Màn hình màu 7 inch; độ phân giải 800 x 448 pixels; cảm ứng trở kháng 4 dây; bộ nhớ 64 MB; nguồn cấp 20–28 VDC, tiêu thụ 250 mA; nhiệt độ hoạt động 0–50°C; cổng COM1 (RS232/RS485), COM2 (RS232/RS422/RS485).	Giao diện điều khiển và giám sát; nhập giá trị vị trí, tốc độ đặt và hiển thị trạng thái vận hành hệ thống.
Vi điều khiển Arduino Mega 2560	Chip ATmega2560, thạch anh 16 MHz; 54 chân I/O số (15 chân PWM); 16 chân ngõ vào tương tự; 4 bộ UART phần cứng; chip giao tiếp nạp ATmega16U2.	Bộ não trung tâm của driver; tiếp nhận xung ngắt encoder, thực thi thuật toán PID số vòng kín và xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) cùng tín hiệu hướng (DIR).
Mạch công suất cầu H	4 Power MOSFET IRF3205 (VDSS = 55V, RDS(on) = 8.0 mΩ, ID = 110A); IC kích gate MC33883 (Freescale); cách ly quang bằng opto xung tốc độ cao 6N137; điện áp vào 12–40 VDC; tần số đáp ứng PWM lên đến 100 kHz.	Khuếch đại công suất từ vi điều khiển để đóng cắt nguồn nuôi động cơ, đảo chiều quay và điều chỉnh điện áp trung bình đặt vào phần ứng.
Động cơ DC Servo & Encoder	Động cơ RM Series, mã hiệu UGRMEM-02MA20E; công suất định mức 100 W; tốc độ định mức 3000 rpm; tích hợp encoder quang học độ phân giải 800 xung/vòng.	Cơ cấu chấp hành chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học quay trục vít me / bánh răng pulley GT2.

Quy trình xử lý tín hiệu và triển khai thuật toán được thực hiện như sau:

• Giải thuật đọc encoder: Hai kênh xung A và B lệch pha 90 độ của encoder được kết nối vào các chân ngắt ngoài 18 và 22 của vi điều khiển Arduino Mega 2560. Tác giả áp dụng thuật toán giải mã x4 (nhân 4) bằng cách bắt cả cạnh lên và cạnh xuống của cả hai kênh tín hiệu, nâng độ phân giải đo lường từ 800 xung/vòng lên 3200 xung/vòng. Tại tốc độ động cơ tối đa 50 vòng/giây (3000 rpm), tần số xung cực đại phát ra từ encoder là: fmax = 50 * 3200 = 160.000 Hz = 160 kHz. Tần số này hoàn toàn nằm trong khả năng xử lý ngắt của chip ATmega2560 hoạt động ở xung nhịp 16 MHz.
• Mạch giao tiếp trung gian: Do PLC S7-200 xuất tín hiệu ở cấp điện áp công nghiệp 24 VDC trong khi cổng vào vi điều khiển Arduino hoạt động ở mức logic 5 VDC, hệ thống bố trí một mạch chuyển đổi mức điện áp trung gian sử dụng linh kiện bán dẫn cách ly nhằm bảo vệ vi điều khiển.
• Môi trường phát triển phần mềm: Đồ án sử dụng phần mềm STEP 7-Micro/WIN để lập trình khối logic cho PLC; phần mềm Touchwin Edit Tool để thiết kế màn hình giao diện điều khiển (nút nhấn Start/Stop, ô nhập vị trí, tốc độ, nhãn hiển thị trạng thái); và Arduino IDE để biên dịch chương trình điều khiển số, tính toán sai lệch e = Setpoint - Process_Variable và cập nhật chu kỳ nhiệm vụ PWM (0 đến 255).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày bối cảnh chung của nền công nghiệp tự động hóa, nhu cầu chuẩn hóa các bộ điều khiển thông minh tích hợp PLC và HMI, cùng tính cấp thiết của việc xây dựng panel điều khiển phục vụ công tác đào tạo kỹ sư cơ điện tử. Tác giả nêu rõ lý do chọn đề tài, xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, vạch rõ giới hạn phạm vi đề tài tập trung vào việc thiết kế thi công panel, tìm thông số PID và thiết kế giao diện HMI. Chương này cũng phân tích tình hình nghiên cứu trong nước, những khó khăn về thiết bị và kinh phí, nêu bật ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong việc hỗ trợ giảng dạy môn học Servo và mạng truyền thông, đồng thời đưa ra sơ đồ khối mô tả tổng quát cấu trúc vận hành của toàn bộ hệ thống.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tập trung hệ thống hóa các nền tảng lý thuyết chuyên ngành. Phần đầu phân tích sâu về lý thuyết động cơ điện: cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại động cơ bước (từ trở biến thiên, nam châm vĩnh cửu, lai; quấn dây đơn cực và lưỡng cực) và so sánh giữa động cơ AC servo với DC servo. Tác giả chứng minh công thức mô-men động cơ DC chổi than: Tm = ke * Φ * Ia * sin(θ) và làm rõ yêu cầu điều khiển góc pha θ = 90 độ để duy trì mô-men cực đại. Phần tiếp theo so sánh các phương pháp điều khiển vị trí: điều khiển ON/OFF, điều khiển logic mờ (các khối mờ hóa, luật hợp thành, giải mờ) và bộ điều khiển PID. Tác giả trình bày chi tiết ảnh hưởng của từng khâu tỉ lệ (KP), tích phân (KI), vi phân (KD) đến thời gian xác lập, độ vọt lố và sai số xác lập; phân tích công thức PID số rời rạc; và đối chiếu ưu nhược điểm của các phương pháp xác định thông số PID (chỉnh định thủ công, phương pháp Ziegler-Nichols, phần mềm mô phỏng và công thức Cohen-Coon).

Chương 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG PANEL ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế phần cứng và thi công cơ khí - điện cho mô hình bàn thí nghiệm. Nội dung bắt đầu bằng việc xác định các tiêu chí kỹ thuật: điều khiển chính xác vị trí, đọc phản hồi xung encoder, bám sát nội dung bài giảng môn Servo và tối ưu hóa thao tác người dùng. Tác giả thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật của từng thiết bị được tích hợp: bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 222, màn hình cảm ứng Touchwin TH765-M 7 inch, bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560, mạch công suất cầu H sử dụng 4 MOSFET IRF3205 kết hợp IC chuyên dụng MC33883, và động cơ DC Servo RM Series UGRMEM-02MA20E công suất 100 W tích hợp encoder 800 xung/vòng. Chương này cung cấp các hình ảnh lắp đặt bố trí thiết bị hoàn chỉnh trên mặt panel điều khiển.

Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - LẬP TRÌNH PHẦN MỀM

Chương 4 mô tả cấu trúc phần mềm và thuật toán điều khiển của hệ thống. Tác giả phân tích chức năng của từng khối trong hệ thống điều khiển: khối giao diện HMI kết nối qua cổng truyền thông RS-485, khối điều khiển logic trung gian PLC S7-200, khối vi điều khiển xử lý ngắt và PID số Arduino Mega 2560, khối mạch cầu H và cơ cấu chấp hành động cơ kéo bộ truyền pulley GT2. Thuật toán đọc xung encoder chế độ nhân 4 trên hai chân ngắt 18 và 22 được giải thích cặn kẽ cùng phép tính tần số xung tối đa 160 kHz. Về phương pháp xác định thông số PID, chương 4 trình bày phương pháp thực nghiệm đưa hệ thống về biên giới ổn định để thu được hệ số khuếch đại tới hạn và chu kỳ dao động tới hạn, từ đó áp dụng bảng công thức Ziegler-Nichols để tính toán thông số ban đầu, sau đó kết hợp phương pháp thử sai trực tiếp trên mô hình để tìm ra bộ hệ số vận hành tối ưu. Chương này cũng hướng dẫn quy trình cấu hình trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN và thiết kế các đối tượng giao diện trên Touchwin Edit Tool.

Chương 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 5 tổng kết các kết quả chạy thử nghiệm hệ thống panel điều khiển trong điều kiện thực tế. Tác giả ghi nhận khả năng đáp ứng vị trí của động cơ theo các giá trị góc đặt từ màn hình HMI, đánh giá mức độ ổn định của liên kết truyền thông giữa HMI và PLC qua chuẩn RS-485, cũng như độ tin cậy của vi điều khiển khi đếm xung ngắt tốc độ cao. Đồng thời, chương 5 thẳng thắn chỉ ra những hạn chế còn tồn đọng trong quá trình thi công và đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật để nâng cấp mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra với các sản phẩm phần cứng và thuật toán thực nghiệm được kiểm chứng rõ ràng:

• Thi công hoàn chỉnh mô hình Panel điều khiển tích hợp đồng bộ các thiết bị công nghiệp gồm PLC Siemens S7-200 CPU 222, màn hình cảm ứng Touchwin TH765-M 7 inch, mạch cầu H công suất cao dùng IC MC33883 và 4 MOSFET IRF3205, bo mạch điều khiển Arduino Mega 2560 và động cơ DC Servo RM Series UGRMEM-02MA20E.
• Xây dựng thành công thuật toán đọc ngắt encoder chế độ nhân 4 (x4), đạt độ phân giải đo lường 3200 xung/vòng, đáp ứng chính xác dải tần số xung lên tới 160 kHz khi động cơ vận hành ở tốc độ tối đa 50 vòng/giây (3000 rpm).
• Xác định và thực nghiệm kiểm chứng hai bộ thông số PID cho điều khiển vị trí:

Phương pháp xác định	Hệ số tỉ lệ (KP)	Hệ số tích phân (KI)	Hệ số vi phân (KD)	Ghi chú đánh giá thực nghiệm
Tính toán lý thuyết Ziegler-Nichols (từ Kgh = 0.7; Tgh = 0.2 s)	0.42	0.38	0.10	Hệ thống còn hiện tượng dao động quanh điểm đặt, chất lượng đáp ứng chưa tối ưu trên mô hình thực tế.
Hiệu chỉnh thử sai trực tiếp trên mô hình thực	0.08	0.05	0.02	Hệ thống đáp ứng êm, triệt tiêu sai số xác lập, định vị chính xác vị trí trục động cơ.

• Thiết kế hoàn chỉnh giao diện giám sát và điều khiển người - máy trên phần mềm Touchwin Edit Tool, kết nối ổn định với PLC S7-200 qua cổng truyền thông nối tiếp RS-485, cho phép đặt vị trí và giám sát vận hành trực quan.
• Đóng góp khoa học và giáo dục: Đồ án đã giải quyết bài toán cầu nối công nghệ giữa thiết bị điều khiển công nghiệp (PLC, HMI) và vi điều khiển nhúng giá thành thấp (Arduino), tạo ra một giáo cụ trực quan phục vụ trực tiếp cho việc giảng dạy các môn học Điều khiển tự động, Kỹ thuật Servo và Mạng truyền thông công nghiệp tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Việc xác định thông số PID ban đầu bằng phương pháp Ziegler-Nichols chưa thể áp dụng trực tiếp do tác giả không xây dựng mô hình toán học giải tích chính xác cho hàm truyền của động cơ mang tải, dẫn đến việc phải phụ thuộc nhiều vào phương pháp thử sai thực nghiệm.
• Bộ điều khiển PLC S7-200 là dòng thiết bị thế hệ cũ (đã ngừng sản xuất dòng 21X và hạn chế mở rộng trên dòng 22X), tốc độ truyền thông và khả năng mở rộng thuật toán phức tạp còn hạn chế.
• Mạch công suất và cơ cấu cơ khí chấp hành (bộ truyền pulley GT2) chưa tích hợp cảm biến đo dòng phản hồi để bảo vệ quá tải phần cứng động cơ và chưa thực hiện bù ma sát phi tuyến.

Hướng phát triển được tác giả đề xuất:

• Nâng cấp hệ thống sử dụng các bộ điều khiển khả trình PLC thế hệ mới hơn (như Siemens S7-1200 hoặc S7-1500) hỗ trợ chuẩn truyền thông công nghiệp Ethernet công nghiệp (Profinet, Modbus TCP/IP).
• Ứng dụng giải thuật điều khiển vị trí đã nghiên cứu cho các loại động cơ DC servo hoặc AC servo có công suất lớn hơn phục vụ trực tiếp trong các máy công cụ CNC hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.
• Nghiên cứu kết hợp giải thuật điều khiển mờ - PID thích nghi (Fuzzy-PID) để tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại khi thông số tải của cơ cấu chấp hành thay đổi trong quá trình làm việc.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, và Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp có liên quan đến hệ thống điều khiển vị trí động cơ. Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Sơ đồ mạch nguyên lý và thiết kế mạch công suất cầu H dùng IC chuyên dụng MC33883 kết hợp MOSFET IRF3205 có cách ly quang, đáp ứng tần số PWM cao (100 kHz).
• Kỹ thuật lập trình ngắt ngoài trên vi điều khiển AVR/Arduino để giải mã xung encoder quang hai kênh theo thuật toán nhân 4 (độ phân giải 3200 xung/vòng).
• Tài liệu cấu hình truyền thông RS-485 giữa màn hình cảm ứng Touchwin với PLC Siemens S7-200 và quy trình chuyển đổi mức tín hiệu giữa cấp 24V công nghiệp và mức 5V của mạch vi điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ DC servo sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào?
Động cơ được sử dụng thuộc dòng RM Series, mã hiệu UGRMEM-02MA20E, có công suất định mức 100 W, tốc độ quay định mức 3000 vòng/phút (rpm) và tích hợp sẵn encoder quang học với độ phân giải phần cứng là 800 xung/vòng.

2. Tại sao tác giả sử dụng giải thuật đọc encoder chế độ nhân 4 (x4) và tần số xung cực đại mà hệ thống phải xử lý là bao nhiêu?
Giải thuật nhân 4 được sử dụng nhằm tăng độ mịn và độ chính xác điều khiển góc quay của động cơ lên gấp 4 lần (từ 800 xung/vòng lên 3200 xung/vòng) bằng cách bắt cả cạnh lên và cạnh xuống của cả hai kênh ngắt A và B. Khi động cơ quay ở tốc độ cực đại 50 vòng/giây (tương ứng 3000 rpm), tần số xung cực đại phát ra từ encoder là fmax = 50 * 3200 = 160.000 Hz (160 kHz). Vi điều khiển Arduino Mega 2560 sử dụng thạch anh 16 MHz hoàn toàn đáp ứng được tần số xử lý ngắt này.

3. Mạch công suất cầu H trong đồ án được thiết kế bằng những linh kiện chính nào và có đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Mạch cầu H sử dụng 4 Power MOSFET loại IRF3205 với các thông số chịu đựng VDSS = 55V, RDS(on) = 8.0 mΩ, ID = 110A; được điều khiển thông qua IC kích FET chuyên dụng MC33883 của hãng Freescale cho phép độ rộng xung PWM đạt 100%. Mạch sử dụng opto cách ly xung tốc độ cao 6N137, cho phép tần số điều chế PWM đáp ứng lên tới 100 kHz, dải điện áp làm việc đầu vào từ +12V đến +40VDC, có tích hợp LED báo nguồn, báo chiều quay và nút nhấn thử nghiệm bằng tay.

4. Kết quả xác định thông số PID giữa tính toán theo công thức Ziegler-Nichols và thử sai thực tế khác nhau như thế nào?
Theo phương pháp Ziegler-Nichols, dựa trên giá trị khuếch đại tới hạn Kgh = 0.7 và chu kỳ tới hạn Tgh = 0.2 s, bộ thông số tính được là KP = 0.42; KI = 0.38; KD = 0.10. Tuy nhiên, khi đưa vào thực nghiệm mô hình thật, hệ thống chưa đạt chất lượng mong muốn do dao động. Tác giả đã tiến hành tinh chỉnh bằng phương pháp thử sai trực tiếp trên hệ thống và thu được bộ thông số tối ưu là KP = 0.08; KI = 0.05; KD = 0.02 giúp hệ thống đáp ứng êm và định vị chính xác.

5. Hệ thống giải quyết sự khác biệt về điện áp hoạt động giữa PLC Siemens S7-200 và vi điều khiển Arduino Mega 2560 như thế nào?
PLC Siemens S7-200 xuất tín hiệu điều khiển ở cấp điện áp công nghiệp 24 VDC, trong khi vi điều khiển Arduino Mega 2560 chỉ hoạt động ở mức logic 5 VDC. Để ghép nối an toàn và tránh gây hỏng vi điều khiển, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và lắp đặt một mạch đệm trung gian chuyển đổi mức điện áp từ 24V xuống 5V trước khi đưa tín hiệu nhịp xung sang các chân I/O của Arduino.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC Servo - Giao tiếp HMI (phục vụ cho giảng dạy)" đã hoàn thành việc chế tạo một panel thí nghiệm điều khiển vị trí vòng kín đồng bộ, kết hợp hiệu quả giữa thiết bị công nghiệp PLC S7-200, HMI Touchwin và mạch vi điều khiển nhúng Arduino Mega 2560 lái cầu H công suất lớn. Nghiên cứu đã làm chủ kỹ thuật giải mã xung encoder tốc độ cao 160 kHz chế độ nhân 4 và xác định thành công bộ thông số PID thực nghiệm (KP = 0.08, KI = 0.05, KD = 0.02) giúp hệ thống vận hành ổn định, chính xác. Kết quả của đồ án đáp ứng mục tiêu làm mô hình thí nghiệm trực quan phục vụ đào tạo thực hành chuyên ngành cơ điện tử, đồng thời cung cấp nền tảng kỹ thuật tin cậy cho các nghiên cứu phát triển hệ thống servo công suất lớn trong tương lai.