GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
2
Lời nói đầu.
Hiện nay robot được sử dụng ở khắp mọi nơi, trong các ngành công nghiệp
nặng, trong các nhà máy lắp ráp ôtô (hàn, sơn, gắp nhả), trong gia đình (robot hút
bụi, robot lau bể bơi), trong y khoa, trong quân đội, trong lĩnh vực không gian, thám
hiểm đại dương, trong giải trí… Sử dụng robot để thực hiện công việc 4A trong môi
trường 4D. 4A có nghĩa là: Automation, Augmentation, Assistance, Autonomous. 4D
có nghĩa là: Dangerous, Dirty, Dull, Difficult. Robot làm việc thay thế cho con người
ở những nơi mà con người có thể gặp nguy hiểm, đồng thời robot có một số phẩm
chất làm việc vượt trội mà con người không thể có được.
Nhận thấy tầm quan trọng của cánh tay máy robot trong lĩnh vực điều khiển
tự động nên chúng em đã tham gia xây dựng đồ án “Điều khiển cánh tay máy” nhằm
vận dụng những kiến thức đã học trong việc nghiên cứu và điều khiển tay máy. Đồng
thời đây cũng là sản phẩm hữu ích cho những sinh viên khóa sau có cơ hội học tập
và nghiên cứu về chuyên ngành tự động hóa nói chung và cánh tay máy nói riêng.
Vì thời gian thực hiện quá gấp nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót
đáng tiếc, kính mong quý thầy cô và các bạn góp ý để đồ án hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến:
Thầy Trần Văn Trinh đã hết sức giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm thực
hiện tốt đề tài.
Các bạn trong lớp đã giúp đỡ nhóm trong lúc gặp khó khăn.
Quang Việt, Văn Đại.
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
3
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:
Hình 1.1 Một số loại động cơ trên thực tế.
1.1 Cấu tạo.
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:
− Phần ứng hay Rotor (Armature).
− Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
− Cổ góp (Commutat).
− Chổi than (Brushes).
− Trục motor (Axle).
− Bộ phận cung cấp dòng điện DC.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây
quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động cơ
công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
6
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều.
Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh
để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần
ứng qua hệ thống chổi than – vành góp.
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều
dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một
nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương).
Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E = K Φ. W (1)
V = E + Ru.Iu (2)
M = K Φ Iu (3)
Với:
− E: sức điện động cảm ứng (V).
− Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb).
− Iu: dòng điện phần ứng (A).

1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC.
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp
đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi
tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là
kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng
xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff.
Từ (1),(2). (3) suy ra:
W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4)
Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W
thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường
thẳng được).
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
8
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Hình 1.4: Điều khiển động cơ bằng PWM.
Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp
trung bình (V
AV
). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch
nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với
điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình
là 25V. V
AV
thay đổi từ V
L
đến V
H
tùy theo các độ rộng T
on
và T

hơn pha A 90
o
. Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2
pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm đếm
tiến hoặc đếm lùi.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
10
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Hình 1.8: Dạng sóng ngõ ra của LED thu.
Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khi
đĩa encoder quay 1 vòng.
Hình 1.9: Cấu tạo đĩa quay trong encoder.
2.2 Nguyên lý cơ bản.
Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ
(rãnh). Dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh),
đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua.
Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc
không có ánh sáng chiếu qua, ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.
Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Số lỗ trên
đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo. Ví dụ có 1 lỗ tức là khi quay được 1
vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩa khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng thu được N
xung. Như vậy khi đo tốc độ, ta đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó tính
được số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc có thể đo chu kì xung). Nếu đo tốc độ
cao thì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
360
0
A
B
Z

Bộ nhớ
dữ liệu
Nguồn
Đơn vị
xử lý
trung
tâm
Khối ngõ vào
Khối ngõ vào
Quản
lý
việc
phối
ghép
12
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
3.2.1 Cấu trúc.
 Một bộ PLC gồm 5 thành phần chính:
− Khối nhận ( Modul Input ) tập trung bên trong các cổng dùng để kết
nối với các thiết bị nhập.
− Khối xuất ( Modul Output ) tập trung bên trong các cổng dùng để kết
nối với các thiết bị xuất.
− Khối xử lý ( CPU ) có công dụng xử lý chương trình cài đặt trên PLC.
− Khối bộ nhớ ( Memory ) lưu trữ chương trình và dữ liệu, bao gồm:
* Bộ nhớ chương trình ( Program Memory ) dùng để chứa chương
trình cài đặt trên PLC.
* Bộ nhớ dữ liệu ( Data Memory ) dùng để cung cấp các vùng nhớ
trống có tác dụng hỗ trợ cho chương trình vận hành ( User Memory ).
− Khối nguồn ( Power Supply ) có công dụng cung cấp nguồn cho hệ
thống.

Relay.
 Các ngõ vào ra I/O.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
14
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Các đường tín hiệu từ các cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của
PLC), các cơ cấu chấp hành được nối nối với các modul ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là
12/24VDC hoặc 100/240VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh
I/O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra họat
động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản.
Thực hiện chương trình:
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét ( scan ). Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc các dữ liệu từ các cổng vào vùng
đệm, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương
trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc END. Sau giai
đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng
quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm tới các cổng ra.
Hình 1.14: Chu kỳ quét của PLC
3.3 Cách kết nối PLC và giao tiếp với máy tính.
Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC trong quá trình Download hoặc
Upload cho PLC, trước tiên ta phải chọn cổng giao tiếp:
 Trường hợp cáp giao tiếp là cáp USB thì cổng giao tiếp phải chọn
USB.
 Trường hợp cáp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao
tiếp của máy tính.
Để chọn cổng giao tiếp, vào mục Communication, chọn Set PG/PC Interface.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy

Ngoài ra việc Communication còn có thể thực hiện bằng cách:
Vào CPU click chuột phải, chọn Type.
Chọn Read PLC, nếu liên thông được thì chương trình
có thể đọc được loại PLC, còn không thì nó sẽ báo, ta phải
chọn lại cổng COM cũng như địa chỉ PLC trong phần
Communications.
3.4 High Speed Counter (HSC).
Để đọc xung tốc độ cao (HSC), ta cần phải thực hiện các bước cho vệc định
dạng Wizard. Ta vào Tools và chọn Intruction Wizard…
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
17
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
Hình 1.27 Thiết lập High Speed Counter (1)
Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter:
Chọn Mode đọc xung tốc độ cao và loại Counter nào (HC0,HC1…).
Hình 1.28 Thiết lập High Speed Counter (2)
Tuỳ từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều Mode đọc xung tốc độ cao
khác nhau, có tất cả 12 Mode đọc xung tốc độ cao như sau:
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
18
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
 Mode 0,1,2 : Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit
nội.
Mode 0: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset
Mode 1: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start
Mode 2: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép
chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như
Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài.
Hình 1.15: Giản đồ xung Mode 0, 1, 2
Mode 3,4,5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit ngoại, tức là có

Mode 11: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn
bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là
các ngõ Input chọn từ bên ngoài.
 Mode 12:
Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát ra từ Q0.0
và HSC3 đếm số xung phát ra từ Q0.1 ( Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh) mà
không cần đấu phần cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong.
Hình 1.20: Các bit điều khiển cho các HSC và các chức năng của chúng cho
từng chế độ.
Các Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:
- HDEF Control Bits(used only when HDEF is executed).
Chọn mức tích cực cho việc reset, start và chế độ đếm.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
21
GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description
SM37.0 SM47.0 SM57.0 SM147.0
Active level control bit for Reset**:
0 = Reset active high
1 = Reset active low
SM47.1 SM57.1
Active level control bit for Start**:
0 = Start active high
1 = Start active low
SM37.2 SM47.2 SM57.2 SM147.2
Counting rate selection for Quadrature counters:
0 = 4x counting rate
1 = 1x counting rate
- SM Control Bits for HSC Parameters.
Chọn hướng đếm tăng hay giảm, cập nhật hướng đếm hay không, cho phép

GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt
HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description
SM36.0 SM46.0 SM56.0 SM136.0 SM146.0 SM156.0 Not used
SM36.1 SM46.1 SM56.1 SM136.1 SM146.0 SM156.1 Not used
SM36.2 SM46.2 SM56.2 SM136.2 SM146.0 SM156.2 Not used
SM36.3 SM46.3 SM56.3 SM136.3 SM146.0 SM156.3 Not used
SM36.4 SM46.4 SM56.4 SM136.4 SM146.0 SM156.4 Not used
SM36.5 SM46.5 SM56.5 SM136.5 SM146.0 SM156.5
Current counting direction status
bit:
0 = counting down;
1 = counting up
SM36.6 SM46.6 SM56.6 SM136.6 SM146.0 SM156.6
Current value equals preset value
status bit:
0 = not equal;
1 = equal
SM36.7 SM46.7 SM56.7 SM136.7 SM146.0 SM156.7
Current value greater than preset
value status bit:
0 = less than or equal;
1 = greater than
4.3. Xuất xung tốc độ cao (PWM,PTO)
CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0 ,Q0.1), dùng cho việc điều
rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài.
Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard. Có 2
cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ
(PWM).
 Điều rộng xung 50% (PTO).
Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ( PTO) trước hết ta phải thực hiện các

Q0.0 Q0.1 Chức năng
SMW68 SMW78 Xác định chu kì thời gian
SMW70 SMW80 Xác định chu kì phát xung
SMD72 SMD82 Xác định số xung điều khiển
 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM)
Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ( PWM) trước hết ta phải thực hiện các bước
định dạng sau:
- Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình.
- Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1.
Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:
Result of executing the PLS instruction
Control
Register
(Hex
Value)
Enable
Select
Mode
PWM Update Method Time Base
Pulse
Width
Cycle
Time
16#D1 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load
16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load
16#D3 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load Load
16#D9 Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load
16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load
16#DB Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load Load
Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0), SMB77 ( cho Q0.1).

4.1.2 Phân loại.
Theo tiết diện ngang dây đai, ta phân ra: đai dẹt, đai hình thang, đai hình
lược, đai tròn. Ngoài ra còn sử dụng đai răng truyền tải trọng nhờ vào sự ăn khớp
giữa các răng trên đai và bánh đai. Trong thực tế có thể sử dụng đai hình lục giác.
Bộ truyền đai thang, đai hình lược chỉ truyền động giữa các trục song song cùng
chiều. Theo kiểu truyền động, bộ truyền đai dẹt và tròn được phân ra: truyền động
giữa các trục song song cùng chiều, truyền động giữa các trục song song ngược
chiều, truyền động giữa các trục chéo nhau.
Hình 1.22: Phân loại đai.
a) Đai dẹt. b) Đai thang. c) Đai tròn.
4.1.3 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng.
Bộ truyền đai là một trong những bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và
hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi.
So với các bộ truyền cơ khí khác, bộ truyền đai có các ưu điểm sau:
− Có thể truyền động giữa các trục xa nhau.
− Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, do đó có thể truyền
chuyển động với vận tốc lớn.
Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy
26