Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
LỜI NÓI ĐẦU
rong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước thời kỳ công nghiệp
hoá-hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn.
Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những
nhiệm vụ nặng nề. Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt
huyết của những trí thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tương lai. Với sự phát triển nhanh chóng
của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tự động hóa
- tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày.
T
Trong đó Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triển
nhanh trong ngành điều khiển và tự động hoá. Trong những hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ và
moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến một thiết bị đáp ứng.Đây là thách thức và các nhà
khoa học, nhà sản xuất đã chế tạo ra một loại động cơ thể làm được nhiệm vụ này đó là động
cơ servo. Ngày nay hệ thống servo được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy yêu cầu
sự chính xác cao. Đối với trường học việc tìm hiểu về động cơ servo là rất hạn chế nên tôi cũng
muốn tìm hiểu về nó để có thể hiểu về động cơ này
Vì thời gian nghiên cứu và điều kiện thực hiện hạn chế nên chắc chắn không tránh được
các sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô và các bạn để đề tài được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện
Biện Quốc Thoại
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 1
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
LỜI CẢM ƠN
Để đề tài tốt nghiệp“Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo bằng PLC
kết hợp WinCC-Flexible Siemens” đạt được một số mục tiêu đặt ra, hoàn thành đúng thời
gian, Tôi xin chân thành cảm ơn:

............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:.........................................................................................
NGÀY HOÀN THÀNH LUẬN VĂN:.............................................................................................
HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PHẦN HƯỚNG DẪN
1)........................................................................................... 1)...................................................
2)........................................................................................... 2)...................................................
3)........................................................................................... 3)...................................................
Nội dung và yêu cầu luận văn tốt nghiệp đã được thông qua.
Ngày tháng năm 2010
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
( Ký và ghi rõ họ và tên) ( Ký và ghi rõ họ và tên)
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 3
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
  
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................

Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
MỤC LỤC
Đề mục Trang
Lời nói đầu..................................................................................................................................1
Lời cảm ơn..................................................................................................................................2
Nhiệm vụ luận văn .....................................................................................................................3
Nhận xét của GVHD...................................................................................................................4
Nhận xét của GVPB....................................................................................................................5
Mục lục........................................................................................................................................6
PHẦN 1 . ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................11
I. Lý do chọn đề tài..............................................................................................................12
II. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................................12
III. Giới hạn nghiên cứu.......................................................................................................13
IV. Nhiệm vụ nghiên cứu.....................................................................................................13
V. Đối tượng nghiên cứu.....................................................................................................13
VI. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................14
VII. Nội dung của đề tài.......................................................................................................14
PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ........................................................................................15
CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ LUẬN....................................................................................16
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ.........................................................16
1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG..........................................16
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO................................17
2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP:...............17
2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):.................................................17
2.1.2 Điều khiển nửa kín (semi-closed loop):.......................................18
2.1.3 Điều khiển vòng kín(full-closed loop):....................................18
2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG SERVO:.........................................................19
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 6
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM

2.4.3 Màng hình điều khiển DIGITAL OPERATOR (JUSP-OP02A,
JUSP-OP03A)........................................................................................39
2.4.3.1 Thông số của màng hình điều khiển Digital Oprater (JUSP-
OP02A, JUSP-OP03A)................................................................40
2.4.3.2 Chức năng và hướng dẫn sử dụng Digital Oprater
(JUSP-OP02A)...............................................................................40
2.4.3.3. Cài đặt thông số cho mod tốc độ và moment với màng hình
điều khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A, JUSP-OP03A) .........46
2.4.4 Kết nối động cơ Ac-Servo (SGM-******) và với màng hình điều
khiển Digital Oprater (JUSP-OP02A) với driver SERVOPACK
(SGD*-****) .........................................................................................50
CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC......................................52
3.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7_200
3.1.1 Đặc điểm bộ điều khiển loic khả trình (PLC):.........................52
3.1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200..................................................52
3.1.3 Cấu trúc bộ nhớ S7-200................................................................52
3.1.4 Xử lý chương trình........................................................................53
3.1.5 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành................................54
3.2.. BỘ ĐẾM XUNG TỐC ĐỘ CAO ( HSC: HIGHT SPEED COUNTER).
3.2.1 Giới thiệu về HSC...........................................................................55
3.2.2 Số lượng bộ đếm HSC có trong PLC và tần số tối đa cho phép
3.2.3 Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC.....................55
3.2.4 Các mode đếm của bộ đếm..........................................................55
3.2.5 Ý nghĩa các bit của byte trạng thái khi lập trình cho HSC......59
3.2.6 Ý nghĩa các bit của byte điều khiển khi lập trình cho HSC.....60
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 8
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
3.2.7 Chọn kiểu Reset, Start và tần số đếm cho HSC .......................61
3.2.8 Byte trạng thái và byte điều khiển của HSC3,HSC4,HSC5....61

4.2 Giới thiệu về WinCC Flexible..........................................................71
4.3 Một số thuộc tính nổi bật trong WinCC Flexible..............................72
4.3.1 Thiết lập giao thức kết nối.............................................................72
4.3.2 Tags và Tags Group........................................................................74
4.3.3 Thiết kế giao diện cho HMI...........................................................74
4.3.4 Một số hàm sử dụng......................................................................75
CHƯƠNG V: ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ.............................................................................77
5.1 Ưu điểm của đề tài..........................................................................77
5.2 Ưu điểm của đề tài..........................................................................77
PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................78
I. Kết luận....................................................................................................79
II. Kiến nghị................................................................................................80
PHẦN 4 : TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ THƯ MỤC ĐÍNH KÈM .................................81
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 10
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
PHẦN I
ĐẶT VẤN ĐỀ
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 11
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
gày

nay,

vớ
i
sự


nh

vực
t
h
ì
các

sản

phẩm

ngày

càng

phả
i
có

yêu

cầu
cao

hơn

về

chấ

độ

ch
í
nh

xác

g
i
a

công

về

h
ì
nh dáng

h
ì
nh

học.
Sự phát
triển của nền công nghiêp robot hiện đại cũng gắn liền với việc điều khiển chuyển động
và là tiền đề cho phát triển nền công nghiệp.Với hệ thống SCADA, khả năng quản lý từ
xa toàn bộ hệ thống và các thiết bị tự động trong hệ thống trở nên rất hiệu quả. Khi có
sự cố ở bất kì phân đoạn nào hệ thống sẽ tự động phân tích và gửi về, người vận hành sẽ

– Tham khảo tài liệu, tìm hiểu về những lĩnh vực có liên quan đến điều khiển
tốc độ và moment của động cơ AC-Servo
– Tìm hiểu về PLC-S7200 đấu nối phần cứng và cách thức lập trình, WinCC
Flexible cách thức sử dụng và cách tạo giao diện cho một chương trình ứng dụng.
– Tìm hiểu cách kết nối giữa PLC-S7200 và bộ động cơ AC-Servo, cách thức
điều khiển tốc độ và moment của bộ động cơ AC-Servo bằng WinCC Flexible qua PLC-S7200.
– Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ.
V. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
– PLC Siemens S7-200 của SIEMEN, motor servo của YASKAWA.
– Chương trình điều khiển bằng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0.
– Thiết lập giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và phần WinCC Flexible
bằng phần PC Access.
– Tạo giao diện điều khiển và giám sát bằng phần mềm WinCC Flexible.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 13
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
VI. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
– Tham khảo, tra cứu thông tin từ các tài liệu khoa học.
– Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các máy gia công cơ khí.
– Sử dụng các thiết bị điều khiển tự động của hãng Siemens PLC S7-200,servo
của YASKAWA.
– Làm mô hình.
– Lập trình và mô phỏng trên máy tính.
– Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thiết bị của nhà trường.
VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ S7-200 VÀ OPC
CHƯƠNG 4:WINCC FLEXIBLE VÀ HMI
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ ĐIỀU
KHIỂN SERVO
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 16
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG
NGHIỆP:

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với các hệ thống điều khiển.Công
nghệ ngày càng hiện đại đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu
khắt khe để đảm bảo quá trình sản xuất.
Sự phát triển các hệ thống điều khiển được tóm tắt như sau:
– Điều khiển vòng hở (open loop)
– Điều khiển nửa kín (semi-closed loop)
– Điều khiển vòng kín(full-closed loop)
Sau đây giới thiệu sơ lược về các nguyên tắc điều khiển
Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thông số X của đối tượng A.
Trong trường hợp điều khiển vòng hở thì đối tượng A sẽ được điều khiển mà không cần
quan tâm đến thông số X và thực tế thì thông số X sẽ được người điều khiển quan sát và
thao tác để điều khiển đối tượng A.
Trong trường hợp semi-closed loop thì hệ thống điều khiển sẽ nhận dạng một
thông số Y không phải là thông số X nhưng qua nó có thể ước lượng hoặc đại diện cho
X. Như vậy tính "quan sát = mắt" được loại bỏ một phần. Tuy nhiên sai số của mô hình
khá cao do các sai số về cơ và điện. Mô hình này được áp dụng chủ yếu là lý do về mặc
giá thành hoặc đôi khi thông số X không thể đo đạc được. Độ chính xác của nó dĩ nhiên
là cao hơn opened loop.
Và cái cuối cùng đó là closed loop, dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng X
được trực tiếp feedback về hệ thống điều khiển để xử lý.
2.1.1 Điều khiển vòng hở (open loop):
Bộ điều khiển vị trí chỉ thị lệnh cho động cơ quay, nhưng chỉ quay mà thôi, quay

nghệ ĐKCĐ đã từ lâu không chỉ gói gọn trong những hệ thống servo chuyên dụng điều
khiển bởi các hệ truyền động và thiết bị tạo sẵn thường có giá khá cao. Thay vào đó,
ngày nay ta còn thấy các tính năng của ĐKCĐ ứng dụng cả cho tốc độ và vị trí trong
truyền động thay đổi tần số xoay chiều, các động cơ bước và truyền động vòng kín cũng
như các hệ truyền động và động cơ servo AC và DC thông dụng khác.
Hiện nay có một số xu hướng trong điều khiển động cơ. Trong một số trường
hợp, vấn đề cần quan tâm chỉ đơn giản là điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen hoặc các
thuộc tính khác của động cơ trên cơ sở tín hiệu điều khiển đầu vào là từ phía con người,
chẳng hạn như qua bảng điều khiển. Việc điều khiển bằng tay như vậy thuộc về phạm
trù điều khiển vòng hở. Trong một số trường hợp khác, động cơ phải tự động đưa ra các
đáp ứng với các tác động thời gian thực. Các đáp ứng đối với các tác động này được
quan sát và các điều chỉnh cần thiết được tự động tạo ra. Vì vậy, nó tạo ra một môi
trường điều khiển kín. Các điều khiển vòng lặp kín như vậy được gọi là hệ tùy động
servo, hay chỉ đơn giản là servo.
Điều khiển servo là một quá trình xử lý tín hiệu liên quan đến điều khiển động cơ
trên cơ sở động học của các tín hiệu vào như vị trí, tốc độ hay mômen. Trong quá khứ
người ta sử dụng các mạch tương tự để thực hiện điều khiển servo, nhưng khả năng
thích nghi của các bộ vi xử lý tín hiệu số đã tạo ra một công nghệ mới cho sự lựa chọn
trong nhiều ứng dụng.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 19
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.2 Hệ thống servo:
2.2.2.1 Hệ thống servo là gì?
Servo bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là Servus (servant), nghĩa là nô lệ, đày tớ. Một
hệ thống được gọi là servo khi hệ thống đó chấp hành một cách chính xác mệnh lệnh
của chủ nhân (tức là người điều khiển.Hệ thống servo là hệ thống điều khiển các
thiết bị cơ học với các biến là biến vị trí và tốc độ (giá trị đặt và giá trị thực). Sau
đây là một ví dụ minh họa.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 20

là backlash, từ nay hễ gặp từ backlash thì chắc các bạn đã hiểu nó là cái gì rồi đúng
không. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt
trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có
một sự bù trừ cho nó. Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh thực hiện
việc bù trừ, hiệu chỉnh này. Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung lệnh hiệu
chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh này sẽ không
được tính đến trong bộ đếm xung.
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 22
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.2.3 Sơ đồ khối của hệ thống servo:
Sau đây là một sơ đồ khối hệ truyền động servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ
Trong đó phần A, B, C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh.
Phần D, E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A, B, C thì khá phổ dụng trong các sơ
đồ khối điều khiển, phần D, E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi
chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau. Sau đây là một số ví dụ về phần D,
E thường gặp:SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 23
Điều khiển vận tốc và moment động cơ AC-Servo GVHD : TS.NGUYỄN MINH TÂM
bằng PLC kết hợp WinCC-Flexible Siemens
2.3 CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ SERVO:
2.3.1 Cấu tạo:
Động cơ servo về nguyên lý, cấu tạo phần điện - từ thì giống như các loại động cơ
bình thường (nghĩa là cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, cách đấu dây, .v.v.)
nhưng có sự khác biệt về cấu trúc cơ học, đó là động cơ servo có hình dáng dài, đường
kính trục và rotor nhỏ hơn động cơ thường cùng công suất, moment.
Điểm nổi bật của 1 servo motor là tích hợp sẵn cơ cấu feedback vào bên trong
động cơ. Động cơ servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi

lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể
đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí. Các động cơ
thường không thể đáp ứng được điều này. Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên
thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.
Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ.
Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ
các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt
Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ nam
châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng
SVTH : BIỆN QUỐC THOẠI 25