BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN VÕ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
SỐ CHO MÁY MÀI NGHIỀN CHI TIẾT QUANG
CMC MB-250
Chuyên ngành :
Điều khiển và tự động hoá
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HÙNG
Hà Nội – Năm 2011
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa.................................................................................................................
Lời cam đoan ...............................................................................................................i
MỤC LỤC.................................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 1
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1.................................................................................................................... 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG............................................................................... 2
1.1 Sơ lược về máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250 ............................. 2
2.4 Thuật toán PID................................................................................................ 25
2.4.1 Luật điều khiển Tỷ lệ (P) .................................................................... 25
2.4.2 Luật điều khiển Tích phân (I) ............................................................. 26
2.4.3 Luật điều khiển vi phân (D) ................................................................ 26
2.4.4 Bộ điều khiển Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân (PID) ............................... 26
2.5 Thuật toán điều khiển số ................................................................................ 27
2.5.1 Thuật toán số hoá phương trình toán học ........................................... 27
2.5.2 Thuật toán xử lý PID trên Chip........................................................... 29
2.6 Vi điều khiển PIC............................................................................................ 30
2.6.1 Vi điều khiển PIC 18F4550,16F877A ................................................ 30
2.6.2 Chuẩn I2C trong chíp PIC .................................................................. 31
2.6.3 Chế độ giao tiếp USB trong chíp PIC 18F4550 ................................. 32
2.6.4 Giới thiệu cơ bản về giao tiếp USB .................................................... 34
2.7 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ hai trục quay ................. 36
2.7.1 Sơ đồ khối ........................................................................................... 36
2.7.2 Chức năng của các khối điều khiển .................................................... 37
2.8 Các thiết bị đo lường ...................................................................................... 38
2.8.1 Cảm biến tốc độ .................................................................................. 38
2.8.2 Cảm biến dòng điện…………..…………………………...………...42
2.9 Bộ điều khiển PID ........................................................................................... 42
2.9.1 Vòng tốc độ......................................................................................... 42
2.9.2 Vòng dòng điện................................................................................... 45
2.9.3 Vấn đề 2 vòng điều khiển ................................................................... 46
2.9.4 Xử lý vấn đề........................................................................................ 47
Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ ............................... 48
3.1 Hệ thống điều khiển cho máy mài nghiền chi tiết quang CNC MB250..... 48
3.1.1 Khối nguồn.......................................................................................... 48
3.1.2 Mạch module Master .......................................................................... 48
Hình 1.9. Hệ thống điều khiển kín dùng Encoder………………………………….14
Hình 1.10. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín cho hệ điều khiển vị trí………………….15
Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển chuyển dịch quay……………………………......19
Hình 2.2. Mạch điều khiển điện áp sử dụng PWM………………………………...20
Hình 2.3. Nguyên lý động cơ DC servo………………………………………...….21
Hình 2.4. Động cơ Servo trong thực tế………………………………………….....22
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý ổn định tốc độ truyền động điện…………………...….22
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lí ổn định tốc độ dùng mạch phản hồi âm tốc độ……...…23
Hình 2.7. Sơ đồ biểu diễn phương pháp điều khiển động cơ bằng thuật
toán PID………………………………………………………………………...….24
Hình 2.8. Bộ điều khiển PID mắc song song………………………………...…….27
Hình 2.9. Bus I2C và các thiết bị ngoại vi……………………………………...….31
Hình 2.10. Sơ đồ chân của chip PIC 18F4550…………………………………......32
Hình 2.11. Sơ đồ chân tín hiệu của cổng USB sử dụng…………………………....33
Hình 2.12. Cable USB…………………………………………………………...…34
Hình 2.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của máy nghiền
CNC MB 250……………………………………………………………………...37
Hình 2.14. Encoder kiểu quay……………………………………………..………37
Hình 2.15 Các thành phần cơ bản của Encoder……………………………………39
Hình 2.16 Đĩa Encoder quay- tuyệt đối dùng mã nhị phân………………………..40
Hình 2.17. Nguyên lý IC ACS712……………………………………………...…42
Hình 2.18. Rời rạc hóa tốc độ đồ thị rời………………………………………...…43
Hình 2.19. Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện……………………………………...45
ii
Danh mục hình vẽ
Hình 2.20. Rời rạc hóa đồ thị tốc độ …………………………………………...….46
Công nghệ gia công chi tiết quang, trong các nguyên công gia công tinh, mài
nghiền vẫn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất cho phép đạt độ chính xác gia
công cao trong khi thiết bị công nghệ ở trình độ thấp hơn.
Vấn đề Tự động hoá trong các nhà máy nói chung và trong công nghệ gia
công chi tiết quang nói riêng đang trở lên hết sức cấp thiết, đòi hỏi chúng ta phải
đầu tư nhiều thời gian, công sức để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo.
Trong phạm vi bản luận văn này, em đi thiết kế, chế tạo bộ điều khiển số cho
máy nghiền chi tiết quang trên máy CNC-MB 250. Trong đó, em đi sâu xây dựng
và hoàn thiện thuật toán điều khiển 2 mạch vòng dùng cho động cơ DC servo.
Ngoài ra, em cũng tiến hành lắp ráp, chạy thử máy và đánh giá kết quả so với kết
quả nghiên cứu trước, vốn là báo cáo của đề tài khoa học B2008-01-188.
Để có được kết quả trong luận văn này, em đã đi tìm hiểu những lý thuyết cơ
bản, tiến hành nghiên cứu những lĩnh vực liên quan đến nội dung của luận văn và
triển khai ứng dụng nó.
Qua đây em xin gửi lời cám ơn tới hai thầy giáo hướng dẫn là thầy giáo
PGS.TS.Nguyễn Trọng Hùng và thầy giáo PGS.TS.Tạ Cao Minh đã tạo điều kiện
và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu để em có thể hoàn thành tốt bản luận
văn này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội ngày 25 tháng 09 năm 2011
Học viên thực hiện
Nguyễn Văn Võ
1
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
Chương 1
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
Từ các kết quả nghiên cứu ta thấy rằng, quá trình gia công chi tiết quang khi
mài nghiền phụ thuộc vào chương trình động học. Để điều chỉnh chương trình động
học gia công, cần điều chỉnh các thông số hình học và động học máy.
Ngoài ra, từ các kết quả mô phỏng chương trình động học và kết quả điều
chỉnh tốc độ quay của các trục tay quay và trục công tác cho ta thấy yếu tố chính
ảnh hưởng đến quá trình động học của máy mài nghiền chi tiết quang đó là :
-
Vận tốc đáp ứng của các động cơ dẫn động khi có tải trọng thay đổi.
-
Hệ số tỷ số truyền vận tốc của trục tay quay và trục công tác kl=ω1/ω5 .
1.1.2 Yêu cầu bài toán đặt ra
Các thông số chính của máy:
-
Tên máy : CNC-MB 250.
-
Kích thước mài lớn nhất của đĩa mài: 250mm.
-
Vật liệu mài có thể gia công: mặt thuỷ tinh.
Các hệ thống phụ bao gồm:
-4-
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
+ Hệ thống mở cửa quan sát được dẫn động bởi 1 đông cơ 1 chiều,
công suất nhỏ, tốc độ chậm , mô men lớn;
+ Hệ thống khí nén để tạo áp lực trong quá trình gia công;
+ Hệ thống bơm dung dịch được sử dụng trong quá trình gia công
chi tiết;
-
Khi nghiền tinh bằng hạt mài M14 ÷ M10 độ nhám Rz = (0,63 ÷ 0,32) µm,
còn khi nghiền tinh bằng hạt mài M5 độ nhám Rz = (0,050 ÷ 0,025) µm.
-
Độ chính xác hình dạng bề mặt mài nghiền có thể đạt tới: 0,07 ÷ 0,06
µm.
Yêu cầu của bài toán:
-
Ổn định được tốc độ của 2 trục công tác và tay quay một cách độc lập;
-
Có thể điều chỉnh tốc độ, mô men đó trong quá trình gia công( trong các
- Chức năng đo lường-kiểm tra: là kiểm tra đánh giá hoạt động công nghệ,
bảo đảm cho chức năng điều khiển tổ chức các tác động công nghệ theo một trình tự
nhất định để đạt được mục đích mong muốn của toàn bộ quá trình.
- Chức năng điều khiển: là tập hợp tất cả các tác động mang tính quy luật,
nhằm đạt được mục đích mong muốn cho toàn bộ quá trình công nghệ.
Một hoạt động công nghệ bao gồm sự kết hợp của các tác động với các chức
năng khác nhau: Chức năng công nghệ, chức năng đo lường-kiểm tra và chức năng
điều khiển, trong đó chức năng công nghệ là quan trọng nhất. Tuy nhiên, nếu thiếu
một trong hai chức năng còn lại thì hoạt động công nghệ sẽ khó đạt được độ linh
hoạt và tối ưu.
Khi con người không đủ khả năng trực tiếp điều khiển các hoạt động công
nghệ đòi hỏi độ chính xác cao và tốc độ xử lý cao, thì người ta đưa vào các chức
năng thay thế quá trình vận hành của con người và gọi đó là một quá trình tự động.
Ban đầu việc tự động hóa diễn ra bằng các thiết bị đo lường, rồi đến các bộ điều
khiển tự động và sau đó là hệ thống điều khiển tự động.
Hệ thống điều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản: đối tượng
điều khiển (ĐTĐK) và bộ điều khiển (BĐK).
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
Đối tượng điều khiển có thể là thiết bị công nghệ hoặc quy trình công nghệ
bắt buộc phải hoạt động theo đúng mục đích nhất định của một hoạt động công
nghệ nào đó dưới sự tác động của tác nhân điều khiển U được phát ra từ thiết bị
điều khiển. Đại lượng y biểu thị kết quả hoạt động của đối tượng điều khiển dưới sự
tác động của U và được gọi là đại lượng cần điều khiển. Đại lượng z là sự tác động
-6-
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
1.2.3 Nhiệm vụ phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển
a. Phân tích hệ thống hệ thống điều khiển
Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính của tín hiệu ra của hệ thống, sau đó
đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng, điều khiển của hệ
thống đó. Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp
trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết hai vấn đề cơ bản là:
- Tính ổn định của hệ thống;
- Chất lượng của quá trình điều khiển: quá trình xác lập trạng thái tĩnh và
trạng thái động (quá trình quá độ);
Để giải quyết những vấn đề trên người ta thường dùng phương pháp mô
hình hoá toán học, tức là các phần tử của hệ thống điều khiển đều được đặc trưng
một mô hình toán và tổng hợp mô hình toán của các phần tử sẽ cho mô hình toán
của toàn bộ hệ thống. Xác định đặc tính ổn định của hệ thống thông qua mô hình
toán của hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học.
Các bước để giải quyết bài toán ổn định là:
- Lập mô hình toán của từng phần tử trong hệ thống (phương trình vi phân
hoặc hàm truyền đạt).
- Tìm phương pháp liên kết các mô hình toán lại với nhau thành mô hình
toán của cả hệ thống.
- Xét ổn định của hệ thống dựa vào lý thuyết ổn định.
Tuy nhiên việc lập mô hình toán của các phần và của toàn hệ thống trong
thực tế rất khó khăn, nên ta dùng phương pháp xét ổn định theo đặc tính thực
nghiệm (Đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian).
Giải quyết nhiệm vụ phân tích chất lượng quá trình điều khiển cũng có hai
phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, thông qua mô hình toán hoặc đặc tính động
học thực nghiệm. Giải quyết vấn đề này thường là giải hệ thống phương trình vi
-8-
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
- Chế tạo, lắp ráp thiết bị toàn bộ. Sau đó kiểm tra, thí nghệm thiết bị toàn
bộ. Hiệu chỉnh và nghiệm thu toàn bộ hệ thống điều khiển.
1.3 Hệ thống điều khiển số
Hệ thống điều khiển số là hệ thống mà trong đó có ít nhất một tín hiệu được
truyền dưới dạng số hóa (xung, số,…).
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số.
Một hệ thống điều khiển số thông thường được mô hình hóa theo sơ đồ khối
như hình 1.5 bao gồm:
- Thiết bị điều khiển số (TBĐKsố): máy tính điều khiển hệ thống qua các
phần mềm xử lý tín hiệu; vi điều khiển tính toán xử lý tín hiệu theo chương trình
được nạp vào trong Chip điều khiển và được gọi là phần cứng của hệ thống điều
khiển .
- Đối tượng điều khiển (ĐTĐK): là các đối tượng tác động mà hệ thống điều
khiển hướng tới.
- Các bộ chuyển đổi tín hiệu Số - Tương tự (D/A) và ngược lại Tương tự - Số
(A/D).
Ưu điểm của các hệ thống điều khiển số là có khả năng điều khiển chính xác,
tốc độ đáp ứng - phản hồi nhanh, độ ổn định và năng suất cao. Do đó, điều khiển số
ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của khoa học - công nghệ.
Riêng trong lĩnh vực cơ khí, thì điều khiển số được đưa vào điều khiển quá trình
hoạt động của các máy công cụ, máy gia công và được gọi là máy điều khiển số
CNC (Computer Numercial Control).
- 10 -
năng điều khiển để phù hợp với tải trọng mới. Ví dụ, trong quá trình gia công ứng
với nhiều chi tiết quang khác nhau, áp lực gia công khác nhau dẫn đến sự thay đổi
tốc độ quay và hệ thống điều khiển hở không kiểm soát được sự thay đổi này, nên
không hiệu chỉnh được tốc độ cho phù hợp với tốc độ yêu cầu. Ngoài ra, hệ điều
khiển hở còn chịu ảnh hưởng do sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và các yếu tố bên
ngoài khác. Vì vậy, hệ thống điều khiển hở chỉ phù hợp với các máy có công nghệ
gia công theo vị trí.
Hệ thống điều khiển hở thiết kế và chế tạo dễ dàng, giá thành thấp hơn so với
hệ thống điều khiển kín và thường sử dụng trong các hệ thống điều khiển đòi hỏi độ
chính xác vị trí không cao.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo vị trí sử dụng hệ thống điều khiển hở
được trình bầy trên hình 1.7.
Hình 1.7. Mạch điều khiển hở của hệ điều khiển vị trí.
Đây là hệ dẫn động bàn máy bằng động cơ bước, giả thiết rằng bàn máy có
bước cơ sở BCS = 0,01 mm tính theo đơn vị chiều dài. Mạch dùng bộ đếm lùi, giá
- 12 -
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
trị đưa vào bộ đếm bằng giá trị khoảng cách cần dịch chuyển bàn máy. Tín hiệu từ
bộ đếm đưa tới mạch giảm tốc và mạch dùng chuyển động bàn máy. Tín hiệu ra của
bộ giảm tốc đưa tới bộ phát xung nhằm thay đổi tần số xung khi cần thay đổi tốc độ
có nghĩa là thay đổi tần số xung ra trước điểm dừng. Xung ra của bộ phát xung và
tín hiệu dừng chuyển động bàn máy cùng đưa tới phần tử AND. Xung ra của phần
tử AND đưa tới bộ đếm và mạch điều khiển động cơ bước.
Khi bộ đếm có giá trị bằng 0, mạch dừng chuyển động bàn máy chuyển mức
logic từ 1 đến 0. Tín hiệu được đưa tới cổng AND thực hiện dừng cấp xung cho
bằng bộ đếm tiến – lùi và thay bộ khuếch đại thứ nhất bằng bộ chuyển đổi
(Converter) số tương tự (DAC), nhằm chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự như
trên hình 1.9.
Hình 1.9. Hệ thống điều khiển kín dùng Encoder.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín chỉ ra trên hình 1-14. Tín hiệu yêu cầu từ
CNC gửi đến bộ đếm tiến – lùi, đồng thời tín hiệu số sinh ra từ Encoder qua ghép
nối cũng đưa tới. Bộ đếm tiến – lùi sinh ra một số phù hợp với sai số vị trí tức thời.
Tín hiệu ra của bộ đếm được đưa vào đầu vào bộ đếm biến đổi số – tương tự (DAC)
để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu điện áp và đưa tới bộ so sánh. Bộ so sánh, so
sánh điện áp ra từ DAC với điện áp từ Techometer gửi tới. Sau đó tín hiệu được
khuếch đại đủ lớn trước khi đưa tới động cơ.
- 14 -
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
Chiều quay của động cơ là chiều làm giảm dần sai số vị trí và tốc độ sinh ra
từ bộ so sánh. Hệ thống điều khiển kín có công suất lớn và độ chính xác cao hơn hệ
thống điều khiển hở bởi vì hệ này có khả năng điều khiển liên tục nhờ mạch phản
hồi. Hệ thống điều khiển kín có khả năng cho bước tiến nhỏ nhất là 0,0001 inch.
Tuy nhiên, hệ thống điều khiển kín có cấu trúc phức tạp, đòi hỏi nhiều thiết bị đo
với độ chính xác cao.
Vì vậy, giá thành của hệ thống điều khiển kín cao hơn nhiều lần so với hệ
thống điều khiển hở. Hình 1.10 chỉ ra sơ đồ khối mạch điều khiển kín dùng Encoder
cho hệ điều khiển vị trí.
Hình 1.10. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín cho hệ điều khiển vị trí.
Tín hiệu vị trí yêu cầu được nạp vào bộ đếm lùi, đồng thời bộ đếm lùi nhận
khiển máy. Các chức năng này bao gồm: vào – ra số liệu, xử lý số liệu và ghép nối
máy với các thiết bị ngoại vi.
1.5.1 Số liệu vào (Data Input)
Chức năng này bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu. Đó là số liệu mô
tả đường chuyển động của trục và điều kiện gia công sản phẩm.
1.5.2 Xử lý số liệu (Data Processing)
Cấu trúc chương trình điều khiển được đưa vào cụm MCU và được nó mã
hoá thành số nhị phân sau đó được lưu trữ vào bộ nhớ đệm. Các số liệu này được bộ
xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) tính toán xác định tốc độ trục
quay của 2 trục, xác định áp lực thực tế của hệ thống khí nén. Cũng như các thiết bị
điều khiển cổng (I/O) đảm bảo trình tự truyền tín hiệu giữa máy công cụ, PMC và
hệ thống điều khiển số.
- 16 -
Chương 1. Tổng quan về hệ thống
1.5.3 Số liệu ra (Data Output)
Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu tốc độ của vòng quay trục. Các tín hiệu
này gửi đến mạch điều khiển Servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ. Trong
cụm dẫn động, động cơ luôn có mạch khuếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào
cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động cơ làm việc.
1.5.4 Ghép nối vào/ra (Machine I/O Interface)
Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục, đóng mở hệ
thống khí nén, dùng khẩn cấp, dùng chu trình và các tín hiệu khác gửi đến hệ thống
điều khiển số.
- 17 -
Chương 2. Nghiên cứu hệ thống điều khiển số tốc độ quay hai trục cho máy CNC –MB 250
2.1.2 Sơ đồ khối điều khiển 1 trục động cơ
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số dịch chuyển quay trong máy mài nghiền
chi tiết quang CNC MB-250 được xây dựng như hình 2.1.
Để xây dựng hệ thống điều khiển số của máy mài nghiền chi tiết quang, sử
dụng động cơ DC Servo có chổi than ưu việt hơn cả, do công suất và mụmen trung
bình, nguồn cung cấp đơn giản, kích thước nhỏ gọn. Thuật toán điều khiển động cơ
được sử dụng là thuật toán PID (Proportion Integral Derivative) tín hiệu dạng số.
Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển chuyển dịch quay.
2.2 Nguyên lý chung điều khiển động cơ servo một chiều
Đối với động cơ DC Servo có nam châm vĩnh cửu, thông thường loại động
cơ này được điều khiển bằng điện áp theo hai phương pháp:
- Đìều khiển bằng hệ chỉnh lưu điều khiển thyristo – động cơ một chiều (Hệ
T-Đ).
- Điều khiển bằng hệ thống điều chỉnh xung áp – động cơ một chiều (Hệ
XA-Đ).
Trong đồ án này, tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng phương pháp điều
chế xung. Nguyên nhân em chọn phương án này ở chỗ:
- Phương án dễ thực hiện.
- 19 -
Copyright: Tài liệu đại học ©