THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐO LƯỜNG
VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC QUẤN DÂY
TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ PSoC ThS. VŨ XUÂN HÙNG
Bộ môn Trang bị điện – Điện tử
Khoa Điện – Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát đo
lường và điều khiển cho máy CNC quấn dây trên cơ sở chip công nghệ PSoC. Bài báo gồm
các nội dung chính sau: tổng quan về máy CNC quấn dây, thiết kế PSoC Card, cách kết nối để
điều khiển biến tần và servo motor và thiết kế giao diện giám sát, đo lường và điều khiển trên
máy tính cho máy CNC quấn dây.
Summary: The article presents the results of the research, design and manufacturing of
the supervising, measuring and controlling system for CNC coil winding machines based on
PSoC technology. Some main parts are included in the content; an overview of CNC coil
winding machines, designing PSoC cards, the wiring diagram to control the inverter and the
servo driver, and designing supervisory, measure and control interface for CNC coil winding
machines.
CT 2
I. TẠI SAO PHẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHO MÁY CNC QUẤN DÂY?
Hiện nay máy CNC quấn dây được sử dụng nhiều trong các nhà máy sản xuất như: Công ty
Cáp điện Trần Phú, Cơ điện Hà Nội, Công ty Que hàn Việt Đức, Nhà máy Chế tạo biến thế
ABB Việt Nam v.v , đã góp phần nâng cao năng suất lao động, chất lượng, độ tin cậy và giảm
giá thành của sản phẩm. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước, nhu cầu sử dụng máy
CNC quấn dây sẽ tiếp tục tăng trong nhiều năm tới. Các máy CNC quấn dây đều phải nhập

hiệu suất cao, chắc chắn và làm việc tin cậy.
Hệ thống cảm biến: Thường có các loại cảm biến sau: Encoder (đo góc quay, tốc độ quay),
cảm biến sức căng; cảm biến cảm biến quang, cảm biến vị trí bên trái, bên phải của cơ cấu rải
dây v.v
Phần điều khiển gồm có: Bộ biến tần điều khiển cho động cơ nhả dây, quấn dây và hệ điều
khiển vị servo để rải dây; hệ thống điều khiển trung tâm: Gồm có PLC hoặc Card vi điều khiển
có cài đặt chương trình điều khiển và giao diện giám sát, đo lường trên máy tính hoặc màn hình
hiển thị. Hệ thống này có chức năng đặt thông số, đo lường và giám sát quá trình hoạt động của
máy CNC quấn dây.
CT 2
● Phối hợp điều khiển các cơ cấu trong máy CNC quấn dây và lựa chọn phương pháp
điều khiển:
Để quấn dây đều, đẹp, không bị đứt thì ta phải phối hợp việc điều khiển tốc độ động cơ
servo rải dây với động cơ quấn dây và động cơ nhả dây với động cơ quấn dây. Nếu động cơ
quấn dây quấn với tốc độ nhanh thì động cơ servo cũng phải rải dây nhanh, việc rải dây này
diễn ra liên tục trong một vòng quấn dây, khi cuộn quấn xoay được một vòng thì cơ cấu rải dây
cũng dịch chuyển đi một độ dài chính bằng đường kính quấn dây. Còn để dây quấn không bị đứt
nhưng vẫn đảm bảo đủ độ căng cần thiết thì ta phải điều khiển tốc độ cuộn nhả đồng tốc độ với
cuộn quấn. Như vậy cả ba động cơ này hoạt động trong sự ràng buộc lẫn nhau, dưới sự giám sát
và điều khiển của bộ điều khiển trung tâm là Card giám sát, đo lường và điều khiển.
Để giải quyết bài toán đồng tốc độ quấn và nhả (cùng tốc độ dài) thì trước hết ta cần có hệ
biến tần điều khiển động cơ quấn và nhả có độ chính xác cao, tác động nhanh, ở đây chúng tôi
dùng biến tần 3G3MV của hãng Omron, điều khiển vectơ vòng kín, phản hồi dùng Encoder 360
xung/vòng. Ta cũng cần một bộ điều khiển trung tâm có độ chính xác cao, tốc độ nhanh để tính
toán, xử lý thông tin và đưa tín hiệu đặt vào hệ biến tần điều khiển vectơ, do đó phương án sử
dụng Chip PSoC là khả thi. Ngoài ra để hệ thống có thể quấn với tốc độ cao (nâng cao năng suất
lao động) ta cũng cần phải có cơ cấu bù và cảm biến sức căng có độ chính xác cao, làm việc tin

đang hoạt động của máy CNC quấn dây.
- Khả năng truyền thông với máy tính qua cổng RS232, hệ thống được giám sát và điều
khiển qua giao diện (phần mềm SCADASWARE) trên máy tính.
- Có đầu vào ADC (max 14 bits), đầu ra DAC (max 9 bits)
- Có 4 EEPROM ngoài, ký hiệu FM24C64, mỗi IC này lưu được 64 Kbit, thông tin có thể
lưu trữ đến 40 năm, dùng để lưu các thông số hiện hành đảm bảo hệ thống sau khi mất điện vẫn
vận hành tốt và tiếp tục quấn dây mà không gây lỗi. Giải pháp này cho phép phát triển nhiều
ứng dụng hơn, thuận tiện hơn là dùng bộ nhớ trong của PSoC. EEPROM này truyền thông tin
với PSoC theo chuẩn I2C.
- Có khả năng nạp trực tiếp chương trình từ máy tính không cần phải thay Chip.
CT 2
- Ngoài ra còn rất nhiều tài nguyên có sẵn trong PSoC như: Timer, counter, PWM, khuếch
đại v.v có thể phát triển cho các ứng dụng khác.
3.2. Phân cấp chức năng xử lý thông tin giữa Card (phần cứng + firm ware) và phần
mềm trên máy tính
Cấp trên cùng: Máy tính PC có cài đặt phần mềm giám sát, đo lường và điều
khiển(SCADASWARE). Phần mềm được dùng để đặt các giá trị ban đầu, nhận thông tin từ
Card truyền lên, hiển thị các thông số, và dùng để tính toán và sử lý các thông số biến đổi chậm
như bán kính quận quấn v.v…
Cấp thứ 2: Card (phần cứng) và chương trình nạp cho chip PSoC (firm ware). Cấp này có
chức năng: đo lường tốc độ, số vòng quay, tính toán tốc độ đặt cho động cơ nhả, động cơ quấn,
điều khiển vị trí rải dây, lưu trữ và cập nhật các thông số hiện hành của máy CNC vào
EEPROM, hiển thị các thông số trên màn hình LCD, truyền dữ liệu lên máy tính.
Cấp cuối cùng: Có thể chia làm hai cấp con:
+ Bộ điều khiển: Biến tần, bộ điều khiển servo. Bản thân các thiết bị này cũng đã tích hợp
các thiết bị tính (vi xử lý tín hiệu tốc độ cao) để tính toán tín hiệu điều khiển. Trong các bộ điều
khiển này có bộ điều điều chỉnh tự động PID, bộ điều chỉnh vị trí, bộ điều chỉnh mô men v.v…

thiết bị thí nghiệm phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu trong các trường cao đẳng và
đại học.
3.4. Thiết kế Card giám sát, đo lường và điều khiển
Sơ đồ mạch nguyên lý của Card hình 5.
Trên Card gồm 2 chip PSoC: Việc dùng 2 chip cho phép ta phát triển nhiều ứng dụng khác
mà không cần thay đổi phần cứng.
PSoC 1: Đóng vai trò là chip chủ (Master) có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thu thập
các tín hiệu từ các cảm biến trái - phải, cảm biến sức căng, đo tốc độ, đo vị trí từ Encoder và
nhận tín hiệu từ PSoC 2 truyền sang, từ đó xử lý điều khiển động cơ Servo rải dây và truyền
thông tin lên máy tính và đóng mở các van điều khiển quá trình hoạt động 2 biến tần, cho chạy
và dừng hệ thống. PSoC 1 sẽ thường xuyên lưu trữ thông tin vào EEPROM và sẽ đọc giá trị
trong EEPROM sau khi có điện trở lại.
PSoC 2: Đóng vai trò là chip tớ (Slave) có nhiệm vụ là nhận tín hiệu từ máy tính và thu
thập tín hiệu từ các cảm biến căng dây và trùng dây từ đó đưa ra tín hiệu dạng Analog để điều
chỉnh tốc độ cho 2 động cơ quấn và nhả sao cho dây quấn không bị đứt, đồng thời thu thập từ
cảm biến sự cố đứt dây và truyền thông sang chip PSoC 1 để cho dừng hệ thống khi có sự cố.
CT 2
Chi tiết thuật toán và chương trình điều khiển có thể tìm thấy trong bản thuyết minh đề tài
cấp Bộ, mã số B2007-04-30 do tác giả làm chủ nhiệm [4].
1 2 3 4 56
A
B
C
D
6
54321
D
C
B
A

13
Vss
14
XSDA
15
P1[2]
16
P1[4]
17
P1[6]
18
XRES
19
P2[0]
20
P2[2]
21
P2[4]
22
P2[6]
23
P0[0]
24
P0[2]
25
P0[4]
26
P0[6]
27
Vdd

15
T1IN
11
T1OUT
14
T2IN
10
T2OUT
7
R1OUT
12
R1IN
13
R2OUT
9
R2IN
8
uRS1
MAX232
VSS
VCC
RXD
TXD
LCD
Vss
1
Vdd
2
Vo
3

LED3
LED4
RW
E
RS
VSS
VCC
VCC
VSS
A35
NPN
A36
NPN
A37
NPN
A40
NPN
A38
NPN
A39
NPN
A34
NPN
1K
RES1
A8
RES1
A10
RES1
A12

A13
RES1
VSS
A16
RES1
VSS
A18
RES1
VSS
chieu
xung
chay
1
2
3
4
A51
4 HEADER
VS S
BT1
BT1
1
2
3
4
A52
4 HEADER
VS S
VS S
BT2

RES2
VSS
MACH DIEU KHIEN MAY QUAN DAY CNC
Design: TRAN THE THINH
D1
LED
D4
LED
D6
LED
D5
LED
D7
LED
D2
LED
D3
LED
D10
RES1
D11
SW-P B
VCC
VSS
P0[7]
1
P0[5]
2
P0[3]
3

XRES
19
P2[0]
20
P2[2]
21
P2[4]
22
P2[6]
23
P0[0]
24
P0[2]
25
P0[4]
26
P0[6]
27
Vdd
28
Psoc1
Psoc1
VS S
TX2
TXD
RXD
RS
LED4
LED2
BT1

A26
RES1
A27
RES1
A28
RES1
A29
RES1
+12V
CBT CBP
1
2
A32
HEADER 2
encoderQ
encoderQ
VCC
VS S
XRE S2
P012
P002
P002
P012
DB42
analog1
analog2
1
2
A31
HEADER 2

DB6 2
A30
RES1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
A50
HEADER 10
DB7 2
RS2
DB72
DB52
RW2
E2
DB62
encoderQ
VSS
1
2
A49
HEADER 2
encoderN
XRES

A3
3
GND
4
SDA
5
SCL
6
RW
7
VCC
8
A58
24c64
A0
1
A1
2
A3
3
GND
4
SDA
5
SCL
6
RW
7
VCC
8

VCC
VCC
SCL
SDA
VCC
VSS
VCC
SCL
SDA
A54
RES1
A55
RES1
VCC
1
2
4
3
A60
SW DIP- 2
R2
T2TX2
RX2
T2
R2
VS S
A61
SW SPST
XRE S2
XRES2

Hình 7. Sơ đồ nối dây với Servo Driver
Hình 6. Cách đấu với biến tần 3G3MV
V. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, đo lường và
điều khiển (Card PSoC, firm ware cho chip PSoC, phần mềm SCADASWARE trên máy tính)
và áp dụng vào điều khiển mô hình máy CNC quấn dây. Kết quả vận hành cho thấy hệ thống
giám sát, đo lường và điều khiển do chúng tôi chế tạo làm việc tin cậy và có độ chính xác cao
hoàn toàn có thể thay thế cho thiết bị nhập ngoại.
CT 2

Hình 8. Card giám sát, đo lường và điều khiển
Hình 9. Mô hình máy CNC quấn dây
Tài liệu tham khảo

[1]. Tài liệu kỹ thuật về PSoC của hãng CyPress.
[2]. Tài liệu về SmartStep A - Series R7D-AP08H và biến tần 3G3MV của hãng Omron.
[3]. Các website của một số hãng: Omron, Cypress, Electromech, Siemen, ABB,
Digmotor,
GeorgeStevens, ReynoldsElectronics, u
[4]. Vũ Xuân Hùng, bản thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B2007-04-
30, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy CNC quấn dây sử dụng hệ điều khiển vectơ
thông minh và chip công nghệ PSoC
♦