Chương 1-Giới thiệu cơ sở lý thuyết + Chương 4: Thực nghiệm và Đánh giá Trình bày về kết quả đạt được. Kết luận sau khi hoàn thành mô hình. Nêu ra những ưu, nhược điểm và hướng phát triển của đồ án để đưa ra hướng phát triển tiếp theo cho đề tài. + Phụ lục: Thiết kế và thi công mô hình Phần này trình bày về các Bản vẽ kỹ thuật trong mô hình cho.
Mô tả hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống. Trích dẫn các nguồn tài liệu tham khảo.4 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài này, nhóm đã nghiên cứu và thực hiện các phương pháp: − Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết − Phương pháp thực nghiệm khoa học Trang 10 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÁC THIẾT BỊ 2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ servo 2.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của động cơ servo a) Định nghĩa Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn. Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang. Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động làm thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch.1 Minh họa động cơ Servo.
Trang 11 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị b) Nguyên lý hoạt động Về nguyên tắc, động cơ servo là một thiết bị độc lập. Tuy nhiên động cơ servo chỉ có ý nghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống servo. Chế động hoạt động của động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Động cơ servo nhận một tín hiệu xung điện (PWM) từ bộ điều khiển để hoạt động và được kiểm soát bằng bộ mã hóa (encoder).2 Cấu tạo động cơ Servo.
Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp và điều khiển này thông qua bộ mã hóa (encoder). Khi đó bất cứ lý do nào ngăn cản chuyển động và làm sai lệch tốc độ cũng như vị trí mong muốn, cơ cấu hồi tiếp sẽ phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển. Từ tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển servo và so sánh với tín hiệu lệnh và đưa ra điều chỉnh phù hợp. Đảm bảo động cơ servo hoạt động theo đúng yêu cầu và đặt được tốc độ và vị trí chính xác nhất.2 Các loại động cơ servo và ứng dụng a) Phân loại Động cơ Servo hiện nay đang được ứng dụng rất nhiều và được phân loại thành 2 loại Servo chính là: động cơ DC Servo và động cơ AC Servo.
Trang 12 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị − AC servo: có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo. Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác. Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bộ điều khiển hay bộ khuếch đại. Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn.
Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng. − DC servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều. DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì. DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp.
Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động. Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo. b) Ứng dụng Với việc đẩy mạnh tự động hóa và phát triển nền công nghiệp 4.0, động cơ Servo ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực − Robot công nghiệp: động cơ servo được sử dụng để làm những khớp xoay của cánh tay robot. Trang 13 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị − Băng chuyền - băng tải: cơ cấu truyền động sử dụng động cơ servo trên băng tải mang theo hàng hóa, sản phẩm đến chính xác những vị trí mong muốn.
− Công nghệ lấy nét tự động: ống kính máy ảnh tự động điều chỉnh tiêu cư để lấy nét thông qua một động cơ servo lắp đặt bên trong. − Xe điều khiển trong quân sự, nghiên cứu: động cơ servo lắp đặt và điều khiển các bánh xe. Chúng cung cấp momen xoắn vừa đủ để xe có di chuyển, dừng, tăng tốc, vượt địa hình. − Hệ thống pin năng lượng mặt trời: những tấm pin năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng và góc theo vị trí của mặt trời để nhận được nhiều ánh sáng nhất.
Khả năng này có được nhờ vào việc sử dụng động cơ servo. − Máy gia công chính xác: máy tiện, máy phay, máy khắc,…: Động cơ servo được lắp đặt trên các trục X, Y, Z,… để di chuyển bộ phận cắt đến được chính xác vị trí cần gia công. − Định vị radar, angten: có cấu điều khiển bằng động cơ servo cho phép xác lập vị trí của angten, radar theo như mong muốn của người sử dụng. − In ấn: bên trong các loại máy in được bố trí động cơ servo để di chuyển các bộ phân in, quét.
− Cửa thông minh: hệ thống cửa ra vào với khả năng đóng mở tự động thường thấy tại các siêu thị, văn phòng, tòa nhà là môt ứng dụng tiêu biểu sử dụng động cơ servo. − Dệt may: cơ cấu chuyển động trong những loại máy dệt, máy kéo sợi sử dụng động cơ servo để mang lại độ chính xác cao. − Xy lanh điện: động cơ servo đóng vai trò truyền động để xy lanh điện hoạt động. − Các loại máy tự động chuyên dụng: máy đóng gói, máy vặn nắp chai,… Trang 14 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị 2.2 Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Controller) 2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của PLC a) Nguyên lý hoạt động Bộ điều khiển trung tâm CPU thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động bên trong bộ PLC.
Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Tốc độ xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC.
Chương trình được lưu trữ trên RAM. Pin dự phòng được tích hợp trên PLC giúp chương trình không bị mất khi có sự cố về điện. b) Cấu tạo PLC được cấu tạo bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm, khối vào (Module input, Analog input), khối ra (Module output, Analog output). Trang 15 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC.
➢ Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit ) − Để đáp ứng được yêu cầu đã nêu thì PLC cần phải có CPU như một máy tính thực thụ. CPU được xem là bộ não của PLC, nó quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC. − CPU là nơi đọc tín hiệu ngõ vào từ khối vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối ra. CPU còn chứa các khối chứa năng phổ biến như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu… và các hàm chuyên dụng.
➢ Khối vào (Module Input) : Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input) − Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng nhị phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận… − Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm. Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được. Trang 16 Chương 2 - Tổng quan về hệ thống và các thiết bị Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở… Một thông số quan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC. − Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ… − Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính… Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác: − Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình.
− Cổng truyền thông: PLC thường tích hợp cổng truyền thông Modbus RTU. Tùy hãng và dòng sản phẩm, PLC có thể được tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT… 2.2 Các loại PLC phổ biến và đặc điểm a) PLC Siemens PLC Siemens xuất xứ từ Đức, một trong những nước có nền công nghiệp phát triển bậc nhất của thế giới. Do đó nhiều thiết bị của Siemens có thể có tuổi thọ vượt trội hơn so với một số thiết bị của các hãng khác. Có giá thành khá cao (so với các PLC cùng phân khúc) và phần mềm nặng.
Tuy nhiên lại hoạt động ổn định và có độ bền cao.