Đồ án Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ dc servo-Giao tiếp HMI (phục vụ vho giảng dạy) (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ dc servo-Giao tiếp HMI (phục vụ vho giảng dạy) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI (PHỤC VỤ VHO GIẢNG DẠY) GVHD: ThS. DƯƠNG THẾ PHONG SVTH: HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV: 11146064 SVTH: PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126 S K L 0 0 4 1 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI (phục vụ cho giảng dạy) SVTH : HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV : 11146064 SVTH : PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV : 11146126 GVHD: Ths. DƢƠNG THẾ PHONG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2016 i
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV: 11146064 PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử Lớp: 111462 Giảng viên hƣớng dẫn: DƢƠNG THẾ PHONG ĐT: 0942558992 Ng y nhận ề tài: Ngày nộp ề tài: 1. Tên ề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy). 2. Các số liệu, tài liệu ban ầu: Tham khảo các hệ thống, ề tài, mô hình từ các khóa trƣớc ể lại. 3. Nội dung thực hiện ề t i: Thiết kế, thi công panel iều khiển. Đọc, xử lí tín hiệu encoder bằng arduino ể iều khiển ộng cơ DC. Xây dựng giao diện trên HMI. 4. Sản phẩm: Mô hình Panel iều khiển. TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV: 11146064 PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử Tên ề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy). Họ v tên Giáo viên hƣớng dẫn: DƢƠNG THẾ PHONG NHẬN XÉT 1. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu iểm: 3. Khuyết iểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) T.p Hồ Chí Minh ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iii
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV: 11146064 PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử Tên ề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy). Họ và tên Giáo viên phản biện: NGUYỄN MINH KHAI NHẬN XÉT 1. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu iểm: 3. Khuyết iểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 iv
6. LỜI CẢM ƠN Lời ầu tiên chúng tôi xin chân thành cảm ơn ến quý Thầy, Cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những ngƣời ã trực tiếp giảng dạy, truyền ạt không chỉ những kiến thức chuyên ngành bổ ích mà còn là những kiến thức xã hội quý báu. Đó chính là những nền tảng cơ bản, là những hành trang vô cùng quý giá, l bƣớc ầu tiên cho chúng tôi bƣớc vào sự nghiệp sau n y trong tƣơng lai. Cùng với ó l sự hỗ trợ ầy ủ về cơ sở vật chất cũng nhƣ môi trƣờng nghiên cứu ã tạo iều kiện cho chúng tôi mở mang kiến thức và có góc nhìn mới về khoa học kỹ thuật. Đề t i ƣợc hoàn thành là nhờ sự hỗ trợ rất lớn từ giáo viên hƣớng dẫn. Chúng tôi xin gởi lời cám ơn chân th nh nhất ến thầy Ths.Dƣơng Thế Phong, giảng viên Bộ môn Cơ iện tử, khoa Cơ khí chế tạo máy, trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Ngƣời ã tận tình quan tâm, giúp ỡ chúng tôi trong thời gian qua, giải áp những thắc mắc v hƣớng dẫn cho chúng tôi những kiến thức lý thuyết cũng nhƣ hỗ trợ thiết bị kỹ thuật, khuyến khích chúng tôi những lúc gặp khó khăn trong quá trình thực hiện ề tài. Đồng thời chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn tới tập thể kĩ thuật viên của công ty Tự ộng hóa S5 ã tận tình giúp ỡ, hỗ trợ kiến thức chuyên môn ể chúng tôi hoàn thành ề t i. Chúng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ến ba mẹ ã luôn bên cạnh, hỗ trợ, ộng viên, khuyến khích chúng con ho n th nh ề tài này. Xin cảm ơn tất cả bạn bè, những ngƣời ã ồng hành cùng tôi trong suốt quãng ƣờng ại học cũng nhƣ trong suốt thời gian thực hiện ề tài. Tp. Hồ Chí Minh, ng y tháng năm 2016 Ngƣời thực hiện Huỳnh Việt Luân Phạm Việt Trình v
7. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hiện nay, cùng với sự phát triển công nghệ kỹ thuật là sự ra ời của hàng loạt sản phẩm tự ộng hóa nhằm áp ứng nhu cầu ng y c ng tăng của thị trƣờng. Sản phẩm tự ộng hóa ngày một cải tiến ể cải thiện hiệu quả trong lao ộng, thông qua những hệ thống thông minh tiện lợi v tƣơng tác hiệu quả với ngƣời dùng. Việc tạo ra một thiết bị có thể cùng một lúc sử dụng thiết bị iều khiển thông minh PLC, giám sát, giao tiếp ƣợc với ngƣời dùng thông qua HMI xử lý và vận h nh cơ cấu áp ứng là một b i toán áng ƣợc quan tâm. Ngoài việc tạo ra một bộ iều khiển thông minh, thì việc thiết kế, lắp ặt ể các thiết bị thành một khối thống nhất, hoàn chỉnh dễ sử dụng cũng góp phần l m nên ƣu iểm cho một sản phẩm công nghệ. Vì vậy, thiết kế và chế tạo một Panel iều khiển thông minh sẽ giúp giải quyết ƣợc vấn ế trên. Trong phạm vi ề tài này, chúng tôi sẽ cung cấp những cơ sở lý thuyết cần có, ồng thời trình bày các giải thuật v phƣơng án thiết kế thi công cho một “Panel điều khiển động cơ DC servo”. Đồ án này ngoài việc ứng dụng trong công tác giảng dạy và nghiên cứu trong môi trƣờng ại học, còn có thể ứng dụng ể iều khiển tốc ộ và vị trí của ộng cơ công suất lớn hơn trong công nghiệp. vi
8. ABSTRACT Currently, along with the development of digital technology, a series of automatic products “have been born” to meet the needs of growing market. They are increasingly innovated to improve labor efficiency through a system that is so convenient, intelligent and effectively interacts with users. The creation of a device that can simultaneously use intelligent control equipment PLC, surveillance, even communicate with the users through the HMI processing and operational structure is such a concerned problem. Besides creating an intelligent controller, designing and installing equipments to form them into a united, completed, and easy for using also contribute to advantages of technology products. Therefore, designing and manufacturing a smart control panel will help solve this problem. Within the scope of this topic, we will provide the required theoretical basis and also present the algorithms and design options for the construction of a "Panel DC servo motor control." This project is applied for not only teaching and researching in university environment but also for speed and position controlling of the larger industrial capacity engine. vii
9. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi ABSTRACT vii MỤC LỤC viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn ề: 1 1.2. Lý do chọn ề tài: 1 1.3. Mục tiêu ề tài: 1 1.4. Giới hạn ề tài: 1 1.5. Tình hình nghiên cứu: 2 1.6. Ý nghĩa thực tiễn: 2 1.7. Mô tả hệ thống: 2 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ: 4 2.1.1. Động cơ bƣớc 4 2.1.2. Động cơ servo 9 2.2. CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 14 2.2.1. Điều khiển ON/OFF: 14 2.2.2. Điều khiển mờ(fuzzy): 14 2.2.3. Bộ iều khiển PID: 16 Chƣơng 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG PANEL ĐIỀU KHIỂN 25 3.1. Thiết kế Panel iều khiển: 25 3.2. Thi công – lắp ặt các thiết bị kĩ thuật vào hệ thống: 25 3.2.1. Thông số các thiết bị ƣợc sử dụng: 25 3.2.2. Thi công Panel iều khiển 31 Chƣơng 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 32 viii
10. 4.1. Hệ thống iều khiển: 32 4.1.1. Sơ ồ các khối iều khiển: 32 4.1.2. Chức năng từng khối: 32 4.1.3. Giải thuật iều khiển: 33 4.2. Lập trình phần mềm: 37 4.2.1. STEP 7-micro/WIN: 37 4.2.2. Touchwin Edit Tool: 40 4.2.3. Arduino Software (IDE): 40 Chƣơng 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 5.1. Thực nghiệm và chạy thử: 43 5.2. Kết quả: 46 5.3. Kết luận: 46 5.4. Hƣớng phát triển: 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 49 Phụ lục A: Chƣơng trình iều khiển trong STEP 7-micro/WIN. 49 Phụ lục B: Thiết kế giao diện HMI trên Touchwin Edit Tool. 51 Phụ lục C: Chƣơng trình cho VĐK Arduino Mega 2560. 56 Phụ lục D: Bản thiết kế Panel iều khiển. 62 Phụ lục E: Nguyên tắc hoạt ộng của Encoder. 67 ix
11. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PWM: Pulse Width Modulation. PLC: Programmable Logic HMI: Human Machine Interface IDE: Integrated Development Environment P: Proportional I: Integral D: Derivative PID: Proportional Integral Derivative DC: Direct Current CAD: Computer Aided Design VĐK: Vi Điều Khiển x
12. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Động cơ bƣớc. 4 Hình 2.2. Các bộ phận cấu th nh nên ộng cơ bƣớc. 5 Hình 2.3. Động cơ bƣớc trở từ. 5 Hình 2.4. Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu. 6 Hình 2.5. Động cơ bƣớc lai. 6 Hình 2.6. Sơ ồ quấn dây lƣỡng cực. 7 Hình 2.7. Ký hiệu trên sơ ồ nguyên lý. 7 Hình 2.8. Sơ ồ quấn dây ơn cực. 8 Hình 2.9. Ký hiệu trên sơ ồ nguyên lý. 8 Hình 2.10. Ký hiệu ộng cơ bƣớc a năng trên sơ ồ nguyên lý. 8 Hình 2.11. Động cơ servo. 10 Hình 2.12. Cấu tạo ộng cơ Servo DC chổi than. 11 Hình 2.13. Vectơ từ trƣờng cố ịnh vectơ dòng v momen ộng cơ 11 Hình 2.14. Sơ ồ khối của hệ iều khiển ộng cơ DC. 12 Hình 2.15. Động cơ AC servo. 13 Hình 2.16. Sơ ồ iều khiển tốc ộ ộng cơ AC. 13 Hình 2.17. Cấu trúc bộ iều khiển mờ. 14 Hình 2.18. Nguyên lý iều khiển mờ. 15 Hình 2.19. Sơ ồ khối của bộ iều khiển PID. 17 Hình 2.20. Xấp xỉ ạo hàm của biến sai số e. 23 Hình 2.21. Xấp xỉ tích phân của biến sai số e. 24 Hình 3.1. PLC S7-200 CPU 222. 26 Hình 3.2. HMI Touchwin 765TH-M. 27 Hình 3.3. Arduino Mega 2560. 28 Hình 3.4. Linh kiện của Arduino Mega 2560. 29 Hình 3.5. Mạch cầu H. 29 Hình 3.6. Động cơ DC Servo. 30 Hình 3.7. Các thiết bị ƣợc lắp ặt trong Panel. 31 Hình 4.1. Sơ ồ khối bộ iều khiển. 32 Hình 4.2. Giao diện dò tìm PID. 33 Hình 4.3. Lƣu ồ thuật toán PID. 34 Hình 4.4. Xác ịnh hệ số khuếch ại tới hạn. 34 Hình 4.5. Xung 2 kênh A và B. 36 Hình 4.6. Bánh răng mô tơ pulley GT2. 37 Hình 4.7. Truyền nhận dữ liệu giữa PLC và HMI 39 Hình 4.8. C i ặt cho HMI. 39 Hình 4.9. Giao diện của HMI 40 Hình 4.10. Sketch. 41 Hình 4.11. Chu trình hoạt ộng của Arduino. 42 xi
13. Hình B.1. Khởi tạo dự án 52 Hình B.2. Chọn thiết bị sử dụng 52 Hình B.3. Giao diện thiết kế 53 Hình B.4. Đặt tên cho dự án. 53 Hình B.5. C i ặt các thông số cho HMI. 54 Hình B.6. Thiết lập nút nhấn 54 Hình B.7. Thiết lập ô nhập tốc ộ và vị trí 55 Hình B.8. Thiết lập các Label 55 Hình E 0.1. Optical Encoder. 67 Hình E 0.2. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder. 68 xii
14. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các phƣơng pháp thiết kế bộ iều khiển PID. 20 Bảng 2.2. Ảnh hƣởng của mỗi bộ iều khiển KP, KI và KD. 21 Bảng 3.1. Thông số cơ bản v ặc iểm kỹ thuật của PLC S7-200. 26 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của HMI Touchwin 765TH-M 28 Bảng 4.1. Thông số bộ iều khiển theo thực nghiệm. 35 Bảng 5.1. Giá trị các thông số thực nghiệm: 43 Bảng 5.2. Giá trị các thông số thực nghiệm: 44 Bảng 5.3. Giá trị các thông số thực nghiệm: 45 xiii
15. Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề: Trong bối cảnh hiện nay, nền công nghiệp và sản phẩm tự ộng hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các sản phẩm tự ộng hóa ng y c ng thông minh hơn, hiểu quả hơn v hết sức tiện lợi cho ngƣời sử dụng. Nhƣ vậy, ngoài việc ƣa ra những giải thuật tối ƣu cho sản phẩm, nhà sản xuất còn phải thiết kế ra một giao diện hay Panel iều khiển ẹp, tiện lợi, dễ sử dụng ể phát huy tốt nhất ƣu iểm của sản phẩm công nghệ của mình. Trên thực tế, tất cả những hệ thống – dây chuyền sản xuất ều ƣợc vận hành từ những bộ iều khiển thông minh, hiện ại v tƣơng tác với ngƣời dùng một cách trực quan. Mặc dù vậy, việc nghiên cứu và thiết kế nên những bộ iều khiển nhƣ vậy còn có nhiều hạn chế. Đặc biệt l khá khó khăn với những sinh viên còn trên ghế nhà trƣờng, chƣa có nhiều cơ hội làm quen với các thiết bị công nghiệp nhƣ PLC, HMI, v các giải thuật iều khiển. 1.2. Lý do chọn đề tài: Những hệ thống tự ộng hóa nói chung và các sản phẩm ơn lẻ nói riêng ều cần có những cách vận h nh v iều khiển tƣơng ứng. Một trong những vấn ề cơ bản của iều khiển l iều khiển ƣợc tốc ộ và vị trí của ộng cơ. Ngoài ra, những dây chuyền sản xuất của nƣớc ta thƣờng ƣợc iều khiển, giám sát bằng HMI ồng thời kết nối và truyên nhận dữ liệu qua PLC cũng l vấn ề rất quan trọng. Không những vậy, thiết kế ƣợc bộ iều khiển ộng cơ cũng giúp ích cho việc nghiên cứu, dạy và học cho cả giảng viên lẫn sinh viên trong quá trình giảng dạy. Vì vậy nhóm quyết ịnh chọ ề t i: “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO – GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy)” ể l m ề tài nghiên cứu và thi công cho ồ án tốt nghiệp năm nay. 1.3. Mục tiêu đề tài: Đề t i ƣợc thực hiện với những mục tiêu sau:  Thiết kế, iều khiển ộng cơ DC servo.  Thiết kế thi công panel iều khiển.  Tìm các thông số PID.  Thiết kế giao diện iều khiển trên HMI. 1.4. Giới hạn đề tài: Trong thực tế nền sản xuất, “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO” nói riêng v lĩnh vực thiết kế, thi công tủ iện công nghiệp nói chung òi hỏi kiến thức tổng hợp từ các ngh nh cơ iện tử, iện- iện tử, công nghệ thông tin, Đề tài của chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu những vấn ề cơ bản sau:  Thiết kế, thi công Panel iều khiển. 1
16.  Điều khiển vị trí ộng cơ v tìm các thông số KP, KD, KI  Xây dựng giao diện trên HMI. 1.5. Tình hình nghiên cứu: Trên thực tế, sau khi chọn và quyết ịnh phát triển ề tại, nhóm cũng có gặp nhiều trở ngại. Về chủ quan, kiến thức có hạn cũng nhƣ những tài liệu tham khảo còn hạn chế làm cho thời gian nghiên cứu và thì công kéo dài. Về khách quan, một số thiết bị khá mới lạ, chƣa ƣợc học hỏi trong chƣơng trình, cùng với ó l giá cả các thiết bị khá cao, cũng nhƣ một số phần mềm mới chƣa ƣợc tìm hiểu kỹ trong quá trình học. Mặc dù vậy, với sự hỗ trợ thiết bị và chỉ dẫn tận tình của Giảng viên hƣớng dẫn Th.S Dƣơng Thế Phong cùng với sự tìm tòi nghiên cứu trên mạng cũng nhƣ những tài liệu của những n anh i trƣớc, nhóm ã ho n th nh tƣơng ối ƣợc yêu cầu ề ra của ề t i. Qua ó, cũng giúp cho các bạn trong nhóm hiểu biết nhiều hơn về những kiến thức mới. 1.6. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài nghiên cứu ã giúp cho chúng ta hiểu sâu sắc hơn về kỹ thuật thiết kế, thi công panel iều khiển trong công nghiệp. Cơ cấu chấp hành của ộng cơ DC Servo. Nắm vững ƣợc cấu trúc, hoạt ộng phát xung của PLC cũng nhƣ cách thức xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu. Giao tiếp và truyền nhận dữ liệu của HMI với PLC. Qua ề tài này, chúng ta có thể ứng dụng ể xây dựng một hệ thống iều khiển tự ộng phức tạp hơn, cơ cấu chấp h nh quy mô hơn. Ngo i ra cũng có thể ứng dụng trong việc dạy học môn Servo, iều khiển tự ộng, và mạng truyền thông trong công nghiệp. 1.7. Mô tả hệ thống: Toàn bộ ồ án ƣợc mô tả theo sơ ồ sau: 2
17. MÀN HÌNH CẢM ỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC DRIVER ĐIỀU KHIỂN DC SERVO ĐỘNG CƠ DC SERVO ENCODER BỘ TRUYỀN ĐỘNG Màn hình cảm ứng: Hiển thị giao diện ngƣời dùng, cho phép nhập vào các tín hiệu iều khiển. PLC: Xử lý tín hiệu từ HMI và xuất ra tín hiệu iều khiển. Driver: Điều khiển hoạt ộng của ộng cơ, ồng thời ọc tín hiệu trả về từ Encoder. Động cơ - Cơ cấu: Thực hiện các chuyển ộng tƣơng ứng với tín hiệu nhận ƣợc. Encoder: Xuất ra tín hiệu trả về cho Driver. 3
18. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ: Với ề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo “Bộ iều khiển vị trí ộng cơ” nhóm ã tìm hiểu cũng nhƣng tham khảo nhiều loại ộng cơ, lý thuyết cơ bản về mỗi loại. Dựa trên giới hạn và mục tiêu của ề tài nhằm phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu môn học Servo nên trong phạm vi ề tài này nhóm sẽ giới thiệu khái quát về hai loại ộng cơ thƣờng gặp trong iều khiển số, cũng nhƣ phù hợp với chƣơng trình giảng dạy ở môi trƣờng ại học. Đó l ộng cơ bƣớc v ộng cơ Servo. 2.1.1. Động cơ bƣớc 2.1.1.1. Giới thiệu: Động cơ bƣớc là một thiết bị cơ iện chuyển ổi các xung iện thành những chuyển ộng cơ học rời rạc. Trục của ộng cơ bƣớc quay những bƣớc tăng rời rạc khi các xung iện iều khiển ƣợc áp ến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các ộng cơ liên hệ trực tiếp với các xung ƣợc áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hƣớng quay của trục ộng cơ. Tốc ộ quay của trục ộng cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lƣợng các xung ƣợc áp vào. Hình 2.1 Động cơ bước. 2.1.1.2. Phân loại động cơ bƣớc. Động cơ bƣớc có thể ƣợc phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator. Dựa theo cấu trúc rotor, ộng cơ bƣớc ƣợc chia thành 3 loại: - Động cơ bƣớc từ trở biến thiên. - Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu - Động cơ bƣớc lai. Dựa theo cách quấn dây trên stator, ộng cơ bƣớc ƣợc chia thành 2 loại: 4
19. - Động cơ bƣớc ơn cực. - Động cơ bƣớc lƣỡng cực. Hình 2.2. Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Động cơ bước trở từ biến thiên: Các ộng cơ bƣớc từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng iện từ trên stator. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều n y cho phép nó áp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dƣ khi ộng cơ không còn ƣợc cấp iện và rotor có thể quay tự do. Hình 2.3. Động cơ bước trở từ. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Các ộng cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì khi ộng cơ không còn ƣợc cấp iện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu ƣợc ịnh hƣớng theo trục với các cực nam và bắc thay ổi. 5
20. Hình 2.4. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Động cơ bước lai. Các ộng cơ bƣớc lai kết hợp các ặc iểm rotor của ộng cơ bƣớc từ trở biến thiên và ộng cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn ƣợc bọc xung quanh trục ộng cơ. Nó khác với ộng cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu ở chỗ có một ầu rotor là cực bắc còn ầu rotor ối diện là cực nam. Răng rotor ƣợc cắt thành hai chén lõi thép ƣợc gắn chặt trên mỗi ầu. Động cơ bƣớc lai chỉ sử dụng phƣơng pháp cấu tạo thứ hai. Các ộng cơ bƣớc lai có nhiều răng hơn v có mô men lớn hơn. Các góc bƣớc tiêu biểu là 0,90 và 1,80. Hình 2.5. Động cơ bước lai. Động cơ bước lưỡng cực. Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách ảo dòng iện trong các cuộn dây, cực tính iện từ cũng bị ảo. 6
21. Hình 2.6. Sơ đồ quấn dây lưỡng cực. Hình 2.7. Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. Động cơ bước đơn cực. Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây ơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực ƣợc kết nối sao cho khi một cuộn dây ƣợc cấp năng lƣợng thì cực bắc nam châm ƣợc tạo ra, khi cuộn dây còn lại ƣợc cấp năng lƣợng thì cực nam ƣợc tạo ra. Cách quấn dây kiểu n y ƣợc gọi l ơn cực bởi vì cực tính iện, tức là dòng iện, từ mạch lái ến các cuộn dây không bao giờ bị ảo chiều. Thiết kế n y cho phép l m ơn giản mạch iện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lƣỡng cực. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4