Nội dung

Trang 1 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ SERVO 1.1 Phân loại động cơ Servo Động có Servo có 2 loại: 1.1.1 Động cơ Servo DC - Điều khiển động cơ 1 chiều: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NC/CNC đòi h ỏi 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 nghiệp điện tử, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ bằng biến tầng ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng động cơ Servo DC vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số. Những năm trước 1995 của thế kỉ trước 95% động cơ dùng trong xích chuyển động chạy dao máy động cơ NC/CNC đều được sử dụng động cơ DC điều khiển Servo. Động cơ Servo DC có 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than và động cơ 1 chiều không có chổi than. a. Động cơ Servo DC có chổi than - Động cơ servo dòng một chiều DC chổi than được trình bày trên (hình 1.1) gồm 4 thành phần cơ bản: stator của động cơ DC là một nam châm vĩnh cửu, cuộn day phần ứng lắp trên roto. Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định được sinh ra từ nam châm vĩnh cửu gắn trên stator tương tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khi có dòng đi ện chạy qua nó. Quá trình tương tác đó sinh ra moment tác động lên trục roto. Moment này biểu diễn theo phương trìn h Tm=ke.ϕ.Ie.sinƟ - (1) Trong đó : Te = moment động cơ ; Ke=hệ số động cơ ; Φ = mật độ dòng từ ; Ia = dòng phần ứng ; Ɵ = góc giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 2 Hình 1.1: Cấu tạo động cơ Servo DMC chổi than - Công thức (1) cho thấy phần tử sinƟ ảnh hưởng tới moment trên trục động cơ. Hình 1.2 chỉ ra quan hệ giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng qua phần ứng. moment trên trục động cơ tăng dần từ Ө = 0o và lớn nhất khi góc Ɵ =90o có nghĩa là khi vectơ t ừ trường cố định vuông góc với vectơ dòng phần ứng, moment trên trục động cơ là lớn nhất khi và khi Ɵ = 0o vectơ dòng phần ứng song song với vectơ từ trường cố định, tại đó moment trên trục là nhỏ nhất. Để đảm bảo moment trên trục động cơ luôn đạt được giá trị lớn nhất cần thiết phải điều khiển chuyển mạch cấp điện cho cuộn dây roto sao cho vectơ dòng ph ần ứng luôn luôn vuông góc với từ trường cố định. Với cách điều khiển quá trình cấp điện như trên, mômen động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ với dòng cấp cho cuộn dây phần ứng. Hình 1.2: Vectơ từ trường cố định vectơ dòng và momen động cơ Servo DC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 3 - Một mối liên hệ khác giữa các thông số của động cơ một chiều là tốc độ quay của rôto tỷ lệ với sức điện động phản điện động phản điện sinh ra trong cuộn dây phần ứng - Mômen và tốc độ của động cơ Servo DC điều khiển có thể mô tả bằng hai phương trình sau: Tđc= Km.Iu Eb=Kb.ω - (2) (3) Trong đó: Tđc- là mômen từ, Nm Iu- dòng đi ện trong cuộn dây phần ứng, A Eb- điện áp phản điện (emf), V Km- hệ số mômen, kgm/A Kb- hệ số điện, đơn vị đo vôn trên vòng trên phút ω- vận tốc quay của động cơ, vòng/phút - Mạch động cơ Servo DC chỉ ra trên hình 1.3 Hình 1.3: Mạch động cơ Servo DC - Từ định luật Kirchhoff ta có phương trình mạch Vu  K b .  R u .I u  L u .( - dI u ) dt (4) Thành phần Lư nhỏ hơn so với Rư nên có thể bỏ qua Lư. Bỏ qua Lư phương trình sẽ là: Vư – RưIư = Kb ω - (5) Phương trình mômen tải Tm đặt trên trục động cơ : Tm = T đ + T s + T c (6) Và Td =Jđc (dω/ dt) Ts = fdcω ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 4 Tc =Jm (dω/dt)+fm - Trong đó : Tđ - mômen động; Ts - mômen tĩnh; Tc - mômen cản; Jđc- mômen quán tính roto động cơ; Fđc- hệ số sức cản nhớt của tải; Jm – mômen quán tính tải; Fm- hệ số sức cản nhớt của tải; - Để động cơ quay thì mômen động cơ phải bằng với mômen tải: Tm= Tđc=Km.Iu - (7) Ưu điểm của động cơ Servo DC chổi than là đơn giản trong điều khiển và giá thành sản phẩm rẻ. Tuy nhiên sử dụng chuyển mạch cơ khí gây ra ồn, tăng nhiệt độ trên vành góp và quán tính rô to cao khi giảm tốc độ. Để khắc phụ các nhược điểm trên người ta đã s ử dụng đông cơ Servo DC không chổi than. b. Đông cơ Servo DC không có chổi than - Động cơ Servo DC không có chổi than được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điều khiển số. Cấu trúc của nó về cơ bản giống như động cơ Servo DC chổi than nhưng khác ở chổ các cuộn pha của động cơ lắp trên Stato và Rôto là nam châm vĩnh cửu. Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban . Rôto làm từ vật liệu samari coban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp. Nhưng giá thành rôto loại này cao hơn nhiều so với khi rôto làm từ vật liệu ferit. Vì vậy, nó chỉ dùng để chế tạo rôto cho động cơ công suất lớn. Tương tự như động cơ xoay chiều, từ trường quay trong động cơ DC không chổi than được sinh ra nhờ mạch điều khiển thứ tự cấp dòng cho các cuộn pha. Cuộn dây pha của động cơ không chuyển động vì vậy có thể sử dụng chuyển mạch bằng điện tử nên loại trừ bằng những nhược điểm tồn tại trong động cơ DC Servo chổi than. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 5 - Điều khiển các trục máy công cụ điều khiển số đòi h ỏi điều khiển chính xác cả về vị trí và tốc độ. Vì vậy, động cơ Servo DC không chổi than cần phải có mạch phản hồi, tính hiệu phản hồi là tốc độ quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục. Để đảm bảo chính xác chuyển động bàn máy, tín hiệu phản hồi phải được cấp liên tục cho mạch điều khiển. Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi của động cơ Servo DC thường sử dụng là cảm biến tốc độ (Tachometer) chổi than hoặc không có chổi than, sensor hiệu ứng Hall, resolver, synchro và encoder. Nguyên lí làm việc của các thiết bị này được trình bày trong các mục tiếp theo. Hình 1.4: a) Sensor hiệu ứng Hall và đĩa từ lắp ở đuôi động cơ b) Tín hiệu chuyển mạch sensor hiệu ứng Hall sinh ra trong một vòng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 6 - Phuơng pháp chuyển mạch hiệu ứng Hall đuợc sử dụng khá phổ biến trong điều khiển động cơ Servo DC. Trong động cơ Servo DC 3 pha không chổi than người ta đặt cố định 3 sensor hiệu ứng Hall lên vỏ phía đuôi động cơ và cách điều 1200 quanh trục động cơ. Để lấy tín hiệu sensor hiệu ứng Hall, một đĩa t ừ như chỉ ra trên (hình 1.4a) đuợc lắp trên đuôi trục động cơ và trên dĩa người ta cắt một rãnh. Khi một trong 3 sensor hiệu ứng Hall đi qua rãnh , trong khoảng thời gian ngắn dòng từ bị mất và kết quả là trên đầu ra của sensor hiệu ứng Hall VH không có điện áp Vh (Vh – điện áp hiệu ứng Hall). Tín hiệu ra từ sensor thuờng đuợc đưa qua mạch Trigger Smith để hiệu chỉnh lại thành xung chữ nhật. - Hình 1.4b chỉ ra tín hiệu đưa ra từ sensor hiệu ứng Hall trong 1 vòng quay của trục động cơ. Tín hiệu này có thể dùng để điều khiển chuyển mạch Transitor công suất ở tín hiệu ra của điều khiển động cơ. Đồng thời cũng có thể dùng để xác định vị trí của động cơ. - Hình 1.5 là sơ đồ khối đơn giản mạch điều khiển chuyển mạch động cơ 3 pha động cơ Servo DC không chổi than. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 7 Hình 1.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển chuyển mạch cho động cơ ba pha - Hệ gồm 6 bộ biến đổi công suất dòng vào và dòng thoát đuợc điều khiển bởi mạch điều chế chiều rộng xung PWM (Pul Width Modulator). Mục đích của bộ biến đổi này là khống chế dòng điện cấp cho 1 trong 3 cuộn dây Lx, Ly, Lz. Tín hiệu chuyển mạch điều khiển động cơ gởi tới chân điều khiển Transitor công suất dòng vào và Transitor công suất thoát lắp theo kiểu Darlingtor. Hình 1.6a chỉ ra mạch Transitor dòng vào, dòng thoát, cuộn pha Lx, Ly và tuơng tự như thế với cuộn Lx và Lz hoặc Ly và Lz ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 8 Hình 1.6: a) Mạch transistor vào và transistor thoát với các cuộn pha b) Mạch phát xung tam giác hình 1.7 chỉ ra mạch biến đổi công suất dòng vào và mạch tín hiệu ra. Mạch biến đổi công suất 3 dòng vào có cấu trúc là mạch biến áp xung đẩy kéo. Tần số chuyển mạch của bộ biến đổi công suất dòng vào đuợc thực hiện nhờ mạch đa hài. Mạch này có thể thiết lập từ IC CD4078B. Tín hiệu ra Q và Qbù của mạch này đuợc đưa tới chân điều khiển của 2 chân Transitor truờng ( mosfeet) công suất. Bộ biến đổi công suất dòng vào còn đuợc điều khiển bởi bộ điều chế chiều rộng xung ( PWM ) tần số thấp. Tần số phát xung của PWM được thực hiện nhờ máy phát xung tam giác như chỉ ra trên hình 1.5b - Hình 1.7 là sơ đồ mạch của một trong 6 bộ biến đổi dòng. Đi ều khiển mạch đa hài và mạch biến đổi đẩy kéo hoạt động như sau: Khi chân tín hiệu ra Q của IC CD4047B ở múc cao và tín hiệu Enable (A) ở mức thấp, dòng chảy từ nguồn điện áp 1 chiều 12V qua Transitor Q1 tới cuộn Lp1 của biến áp T1 về C qua Transitor Q3 và đất. ở thời điểm này không xuất hiện dòng trong cuộn Ls1 chảy qua cuộn cảm L, D3 biến thiên áp nguợc. Khi Q chuyển từ mức logic cao xuống mức logic thấp và Enable (A) không thay đổi mức tín hiệu, dòng chảy qua Lp1 bị ngắt. Trong cuộn dây Ls1 xuất hiện dòng chảy qua D3 huớng tới điểm E nạp điện cho tụ C1. Tại thời điểm này tín hiệu ra Q bù từ mức thấp chuyển lên mức cao. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 9 ‘ Hình 1.7: Một trong sáu tầng biến đổi của hệ điều khiển động cơ DC không chổi than - Dòng chảy từ nguồn 12V qua cuộn Lp2 của T1 hướng tới điểm D qua Q4 về đất trong cuộn Ls2 xuất hiện dòng điện chảy qua Ls2 tới điểm E nạp điện cho tụ C1. Như vậy với tần số thấp của tín hiệu Enable, tụ C1 nhanh chóng đuợc nạp đến mức xác định vì xung dòng ở điểm C và D có tần số di trì ổn định cho nên nạp điện áp tại điểm E gần như không thay đổi. Điện thế ở tại điểm E là điện áp cho Anôt của Triristor T1. - Điện áp tại điểm F điều khiển biên độ dòng gốc của khuếch đại công suất Dalington và điện áp này là hàm của tín hiệu chuyển mạch ở điểm B - Trong thời gian ở vùng rỗng của tín hiệu ở điểm B dòng điện 1 chiều điện áp 12V qua Trasitor Q2 tới điểm G của cuộn dây Lp1 của biến thế T2 sau đó qua cuộn Lp1, diode D1 đến C, lúc này chân Q của CD4047B ở mức cao và tại B mức logic thấp D2 trở thành điện áp thuận dòng chảy từ G qua D2 qua Q4 về đất. - Khi tín hiệu Q chuyển xuống mức thấp gây ra ngắt dòng chảy trong Lp1 của T2 diode Schottky D5 trở thành điện áp thuận. Kết quả là có dòng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG Trang 10 chảy tới điểm F. Khi Qbù chuyển từ cao xuống và dòng chảy trong Lp2 của T2 bị ngắt D6 có thiên áp thuận dòng chảy về điểm F - Biên độ của điện áp tại điểm F tỉ lệ với độ rỗng của xung chữ nhật điểm B. Mạch Darlinton bị khóa khi hệ điều khiển giữ cho cực gốc của Transitor Q2 ở mức logic cao. Khi q2 khóa bộ biến đổi đẩy kéo thứ 2 không hoạt động và không có chảy tới điểm F, do đó không có dòng cấp cho cực gốc của Q6 nên Q6 bị khóa. Khi tại điểm B chuyển từ logic cao sang logic thấp Transitor Q2 mở. Độ rỗng xung tại điểm B tăng lên làm cho dòng gốc của Transitor Q6 tăng lên và khi độ rỗng của xung vào B giảm xuống dòng gốc của Q6 cũng giảm xuống. Như vậy dòng collector và emitter của Darlington là hàm của độ rỗng tín hiệu chuyển mạch. - Tiristor T1, Transitor Q5 và Diode zener D7 hình thành mạch bảo vệ động cơ Servo và chống quá áp cho mạch điều khiển. Để không chế quá áp người ta nối điểm H trong hình 1.7 với điểm trong hình 1.6. Tiristor T1, transitor Q5 và diode zener D7, điện trở R3 và R4 được lắp như chỉ ra trên hình 1.7. Trong mạch điện trở R3 và điện trở R4 chọn đủ lớn để với điện áp bình thường Q5 luôn bị khóa do đó Tiristor T1 cũng luôn bị khóa. Khi điện áp tại D vượt quá điện áp định mức đủ lớn Transitor Q5 mở, Transitor T1 mở nên điện áp tại điểm E và F gần bằng không và mạch Darlington khóa. Chú ý rằng trong quá trình điện áp tại D vượt quá điện áp cho phép, Transitor Q2 đang ở trạng thái mở. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PHẠM VĂN MẠNG