CHƯƠNG I : DẪN NHẬP 1.1 Lý chọn đề tài Trong gia cơng khí u cầu độ xác cần thiết cần có cấu để điều khiển vị trí cách xác.Cơ cấu hoạt động thơng qua việc điều khiển từ máy tính.Để đáp ứng u cầu nhóm chọn đề tài : Điều khiển vị trí động DC dùng cấu vit-me bi đai ốc 1.2 Giới thiệu đề tài Động dùng để truyền chuyển động quay ta chuyển thành chuyển động tịnh tiến nhờ cấu vit-me đai ốc.Khi vit-me quay đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vit-me.Trên sở ta điều khiển vị trí đai ốc thơng qua điều khiển góc quay động Việc điều khiển vị trí quan trong gia cơng khí cắt gọt công nghiệp.Ứng dụng việc điều khiển trục máy CN, CNC, máy in, định vị lỗ khoan, truyền động cho băng tải… 1.3 Mục đích nghiên cứu đề tài : điều khiển vị trí động Servo DC với yêu cầu sau: - Điều khiển vị trí động Servo DC có kiểm sốt vị trí điều khiển PID - Điều khiển trực tiếp động giao tiếp máy tính - Điều khiển tốc độ động Servo DC, từ nghiên cứu điều khiển động máy công cụ CN, CNC, băng tải … ứng dụng khác động Servo DC kể bước Servo, Servo AC 1.4 Giới hạn đề tài : - Điều khiển động Servo DC, loại động Dc kích từ độc lập hhoặc dùng nam châm vĩnh cửu, có cơng suất P < 60W, cụ thể động Servo DC 24V – 50W - Điều khiển động Servo DC phương pháp điều chế độ rộng xung kết hợp với việc dùng vi điều khiển Atmega - Đảm bảo ổn định vị trí vịng phản hồi vị trí dùng encoder CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUÂN 1.1 Đại cương động DC kích từ độc lập 1.1.1.Giới thiệu sơ lược động điện chiều: Động điện chiều có loại a.Động điện chiều kích từ độc lập + Ukt Rkt - A + Lkt Ru Eu Uu + Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTĐL b.Động điện chiều kích từ song song + Ukt = Uu Rkt - A + Lkt Ru Eu Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTSS c.Động điện chiều kích từ nối tiếp + _ Ud - A Eu Lkt + Rkt Ru Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTNT Trong đồ án nhóm chọn động điện chiều kích từ độc lập : - Làm việc tải nhỏ - Điều khiển tốc độ dễ dàng, xác 1.1.2 Cấu tạo: Cấu tạo động gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (roto), cổ góp chổi điện Hình 2.4 Cấu tạo ĐC KTĐL Nguồn điện chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp Cường độ từ trường khơng thay đồi Tốc độ động điều khiển thơng qua dịng roto Có thể đảo chiều chuyển động cách đảo chiều dịng điện qua roto Hình 2.5 Ngun lý ĐC KTĐL 1.1.3 Sơ đồ nguyên lý phương trình đặc tính: + _ Ikt Lkt Rkt - A + Eu Ru Iu + _ Hình 2.6 Nguyên lý ĐC KTĐL Ikt  U kt R kt  R cdkt Uu  Eu  Iu.Ru Mà Eu  K kt  Iu  Mdt K kt Suy : Uu  K kt   Mdt Ru K kt  Kết luận : Để thay đổi tốc độ động ta có cách - Thay đổi từ thông  - Thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động cơ: Dùng phương pháp PWM mắc thêm điện trở phụ vào phần ứng 1.2 Giới thiệu Encoder: 1.2.1.Khái niệm : Encoder hay gọi mã hóa quang kỹ thuật số thiết bị chuyển đổi chuyển động thành chuỗi xung kỹ thuật số Bằng cách đếm cách đơn lẻ cách giải mã tập hợp bit, xung chuyển đổi để đo lường vị trí tương đối hay tuyệt đối Encoders có cấu hình tuyến tính quay, loại phổ biến quay Rotary encoders sản xuất hai hình thức bản: mã hóa tuyệt đối nơi từ kỹ thuật số tương ứng với vị trí trục quay, mã hóa gia tăng, sản xuất xung kỹ thuật số trục quay, cho phép đo vị trí tương đối trục Hầu hết mã hố quay bao gồm đĩa thủy tinh nhựa mã với mơ hình xun tâm photographically gửi tổ chức theo dõi Theo đường xuyên tâm ca khúc gián đoạn chùm photoemitter-cặp máy dò, xung kỹ thuật số sản xuất 1.2.2 Phân loại : Có loại Encoder a Absolute encoder : Hình 2.7 Absolute encoder Là loại thiết bị mã hóa mà tín hiệu mã đầu song song để thị góc quay tuyệt đối trục Loại khơng cần đếm để đếm xung mà biết góc quay trục thiết bị mã hóa Cũng giống nhiều loại Encoder khác, giải mã tuyệt đối gồm đĩa trịn, có khoảng suất đục Ánh sáng xuyên qua phần suất đến cảm biến quang, đĩa quay cảm biến bật lên phần ánh sáng bị chặn phần đục làm cảm biến quang xưống Như cảm biến quang tạo thành xung - Khi thiết bị mã hóa sử dụng với thiết bị khác, vị trí trục xam góc tọc độ Khi trục thiết bị mã hóa quay tọa độ góc góc quay hiển thị thị máy Tín hiệu đầu thiết bị mã hóa khơng bị ảnh hưởng nhiễu thiết bị đóng, ngắt khơng u cầu điều chỉnh góc quay xác Hơn nữa, chí tín hiệu mã hóa đầu khộng thể đọc trục quay q nhanh, góc quay xác ghi tốc độ quay giảm xuống, nguồn cho thiết bị mả hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa khơng hoạt động rung động thiết bị sử dụng - Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cáo cho giá trị thay đổi phạm vi rộng so với thiết bị mã hóa tăng dần b Incremental encoder : Incremental encoder Hình 2.8 Incremental encoder Cấu tạo Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung phù hợp với góc trục quay Thiết bị mã hóa khơng có xung trục khơng làm việc Do cần có đếm để đếm xung Thiết bị mã hóa ch biết vị trí trục quay số xung đếm Dạng thiết bị mã hóa có hay kênh ngõ ra: + Loại chiều (chỉ có đầu kênh A) loại sinh xung trục quay + Loại chiều (có đầu kênh A B) cho biết chiều trục quay, nghĩa thuận chiều kim đồng hồ Ngồi cịn có đầu dây trung tính (xung Z) cho vịng quay, có nghĩa quay vịng xung Z lên Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ xung track (B) trễ pha xung track (A) 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Incremental encoder Hình 2.9 Ngun lý Incremental encoder Giả sử encoder có xung A,B,Z hình Khi truc động quay nhờ cặp led thu phát hồng ngoại đổi trạng thái liên tục.Do xung A,B lệch pha góc 90 xung Z có xung vịng nên ta có giản đồ xung hình Ta dùng đếm để đếm xung từ biết vị trí động nào.Tùy vào loại encoder mà ta có độ phân giải khác nhau.Vd encoder ghi 200 p / r nghĩa động quay vòng ta đo 200 xung Encoder đồ án loại 200 xung/vịng.Chỉ có xung A B khơng có xung Z 1.3 Vít-me đai ốc bi 1.3.1 Khái niệm Cơ cấu vít-me đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến đai ốc Khi động quay đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít-me Vit-me đai ốc thường bao gồm trục tiện ren lắp với ống tiện ren cho ren phải dạng bước ren với Hình bên minh họa ăn khớp trục vít đai ốc.Cơ cấu cấu bulong đai ốc.Khi bulong di chuyển đai ốc chuyển động tịnh tiến Tiếp xúc bulong đai ốc tiếp xúc mặt nên đai ốc di chuyển tương đối khó masat lớn Hình 2.10 Vít-me đai ốc thường 1.3.2 Vít-me đai ốc bi Để khắc phục tượng ta tiện rãnh trục vít-me có hình trịn thay hình thang tam giác rãnh đặt vào viên bi sắt Mối ghép vít me bi đai ốc đường lắp đầy viên bi thép Khi trục vít xoay, viên bi cuộn trịn mối ren trục vít đai ốc Hình 2.11 Nguyên lý vit-me bi Điều nhằm giảm ma sát chúng Bởi viên bi cuối sẻ rơi ngoài, nên đai óc có đường ống dẫn để vét viên bi khỏi rãnh trục vít đưa chúng trở lại phần đầu đường bi phía cuối đai ốc Lực đẩy đai óc khơng nặng nề nhờ viên bi cuộn tròn, trượt Hầu hết chúng cần tí chổ trống để dầu vào, giả có cố kẹt bi rãnh Vít-me có rãnh bi Vít-me có rãnh bi Hình 2.12 Cấu tạo vít-me đai ốc bi Khả làm viêc : - Do thay chuyển động trượt thành chuyển động quay tròn viên bi nên masat giảm đáng kể chuyển động trục vít-me đai ốc nhẹ nhàng - Cũng masat nên trục vít-me bi có tuổi thọ cao vít-me thường đồng thời việc truyền động trở nên xác khử độ rơ vít-me đai ốc 1.4 Lý thuyết PWM 1.4.1 Điều chế độ rộng xung gì? Để điều khiển tốc độ động trình bày phần nguyên lý động có cách: Mắc điện trở phụ phần ứng thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động cơ.Phương pháp PWM cách để thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động Điều chế độ rộng xung phương pháp điều khiển tổng công suất cho tải mà tiêu hao công suất việc điều khiển tải Pulse Width Modulation (PWM) kỹ thuật làm giảm số lượng nguồn phát đến động DC, ứng dụng hệ thống máy móc khí mà khơng cần hoạt động tình trạng đủ nguồn Thay giảm điện áp vân hành cho motor (nghĩa giảm nguồn cho nó), nguồn motor bật on/off cách nhanh chóng Phần trăm thời gian mà nguồn bật định phần trăm hoạt động mà thực Giảng đồ trình bày khái niệm này, trình bày tín hiệu PWM đến hoạt động motor 75%, 50%, 25% nguồn hoạt động Một khoảng rộng tần số sử dụng cho tín hiệu PWM Một dạng sóng PWM gồm bit, mà dạng sóng on off, lập lại để sử dụng cho động Mỗi phần trăm giây, bit điều khiển định motor nạp ngắt Mỗi 1/125 giây dạng sóng lập lại Hình 2.13 Ngun lý PWM Thực chất PWM làm thay đổi tổng giá trị áp (trung bình) đặt vào hai đầu cực động Khi áp trung bình thay đổi tức làm thay đổi tốc độ động Có nhiều phương pháp điều khiển PWM:  Phương pháp tương tự: tác động nhanh liên tục  Phương pháp số: điều khiển xác vị trí tốc độ hệ truyền động  IC chuyên dụng  Dùng vi điều khiển trện board Có hai phương pháp phổ biến làm thay đổi tổng điện áp đặt vào hai cực động Servo DC: Hình 2.14: Các phương pháp PWM cho động Servo Hình minh họa phương pháp PWM cho Servo chuẩn (phương pháp 1) Servo số (phương pháp 2) +Phương pháp 1: Bằng cách thay đổi thời gian Ton Toff Trong chu kỳ xung giữ nguyên (không đổi) Ví dụ: Chúng ta mong muốn mức logic ngõ PWM dùng điều khiển tốc độ động Servo DC Khi đó, động đạt tốc độ Minimum thi tương ứng với tín hiệu PWM 100% off 0% on động đạt tốc độ Maximum tương ứng với tín hiệu 0% off 100% on Tuy nhiên điều lý thuyết, thực tế phương pháp PWM không đạt số 100% off 0% on( 0% off 100% on) mà mang tính gần Hình 2.15 Phương pháp PWM với tần số không đổi t1 = t2 = TON + TOFF = const Trong đó: t1, t2: chu kỳ xung Ton: thời gian On Toff: thời gian Off Theo tiêu chuẩn động Servo, ta nên chọn chu kỳ xung t1 = t2 = 20ms Chúng ta thấy rằng, thời gian Ton càngtăng điện áp trung bình tương ứng lớn, đồng nghĩa với tăng tốc độ động hoàn toàn ngược lại Ton nhỏ điện áp trung bình tương ứng giảm, đồng nghĩa với giảm tốc độ động Hình 2.16 Quan hệ thời gian Ton với điện áp +Phương pháp 2: Bằng cách thay đổi tần số xung Do trường hợp làm cho chu kỳ xung bị thay đổi, tức là: t1 ≠ t2 Hình 2.17 Phương pháp PWM với tần số thay đổi Nhìn chung phương pháp có điểm chung điều tiết PWM dẫn đến làm thay đổi tổng áp trung bình đặt vào hai cực VCC GND động Servo DC Tùy theo mạnh phương pháp, mạnh người dùng mà lựa chọn phương pháp hợp lý, dễ sử dụng mang lại hiệu cao ...CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUÂN 1.1 Đ? ?i cương động DC kích từ độc lập 1.1.1.Gi? ?i thiệu sơ lược động ? ?i? ??n chiều: Động ? ?i? ??n chiều có lo? ?i a.Động ? ?i? ??n chiều kích từ độc lập + ... đai ốc Hình 2.11 Nguyên lý vit-me bi ? ?i? ??u nhằm giảm ma sát chúng B? ?i viên bi cu? ?i sẻ r? ?i ngo? ?i, nên đai óc có đường ống dẫn để vét viên bi kh? ?i rãnh trục vít đưa chúng trở l? ?i phần đầu đường bi... đ? ?i tốc độ động ta có cách - Thay đ? ?i từ thông  - Thay đ? ?i ? ?i? ??n áp cấp cho phần ứng động c? ?: Dùng phương pháp PWM mắc thêm ? ?i? ??n trở phụ vào phần ứng 1.2 Gi? ?i thiệu Encoder: 1.2.1.Kh? ?i niệm :