Thiết bị điều khiển động cơ tuyến tính

 

Nằm trong đề tài KC.03/06-10

Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot song song (Gough-Stewart Platform) sử dụng trong hệ thống thiết bị tạo chuyển động phức hợp, hình thành trung tâm gia công chế tạo 5 trục ảo - Chủ nhiệm: PGS,TS Lê Hoài Quốc

 

Phần I. Thông số động cơ và cảm biến đi kèm

Các thông số được kèm theo catalog sản phẩm có như sau

Thông số	Giá trị	Đơn vị
Lực tác động	39 (8,77)	(Ibf/A)
Dòng điện cực đại	15	A
Điện trở pha 25/80°C	3.1/3.7	Ω
Điện cảm pha	3.1	mH
Loại sensor vị trí	Sine/cosine
Tốc độ cực đại	1.7	m/s
Đường kính stator	48	mm
Chiều dài stator	290	Mm
Chiều dài slider	630	mm

Thông tin cảm biến có được là:

- Cảm biến dạng cách ly hiệu ứng Hall

- Là dạng có chu kỳ lặp lại sin/cos

- Được cấp điện áp vào là 5V. Có hai kênh điện áp ra, không có tín hiệu zero

Để có thể tìm hiểu cảm biến, nhóm nghiên cứu đã nối động cơ vào bộ điều khiển của chính hãng, lập trình để slider chuyển động theo quỹ đạo lặp lại với một tốc độ không đổi. Sử dụng chức năng quan sát bằng đồ thị (dữ liệu thu thập qua cổng COM RS232), thu được kết quả sau:

H1.1 Thí nghiệm cảm biến vị trí

Trong đó

- Đường 1: Tín hiệu Sine

- Đường 2: Tín hiệu Cosine

- Đường 3: Góc chuyển mạch

- Đường 4: Vị trí tính toán

H1.2 Tương quan tín hiệu cảm biến và vị trí thực

Từ các thí nghiệm, có kết luận về cảm biến vị trí như sau:

- Điện áp nguồn nuôi 5V, điện áp ra là tín hiệu sine theo vị trí, có giá trị min = 0.5V, max=4.5V. Điểm zero của tín hiệu sine là điện áp 2.5V

- Tín hiệu sine và cosine đúng lệch pha nhau π/2.

- Chu kỳ của tín hiệu sine/cosine phản ánh bước cực nam châm trên thanh slider.

- Mỗi cặp cực nam châm có chiều dài 60mm, tổng hành trình là 540mm (09 cặp).

Từ thông số cảm biến có được, mạch phần cứng để nhận tín hiệu vị trí được tính toán như sau:

H1.3 Trị số linh kiện cho mạch nhận tín hiệu cảm biến

Phần II. Phần thử nghiệm mạch LinDrive v2.1

1. Nguồn cấp

Bao gồm:

- Nguồn cấp cho board mạch DSP, các IC logic họ TTL

- Nguồn cách ly cho từng van riêng biệt

- Phần nguồn cấp cho các IC họ CMOS và tạo áp chuẩn cho ADC

H2.1 Mạch phía sơ cấp các cuộn biến áp

Mạch nguồn thiết kế theo phương án push-pull half-bridge (kéo/đẩy)

Tính toán tần số

Thực tế kiểm tra

H2.2 Điện áp sơ cấp biến áp push-pull

Phần mạch tạo nguồn vi sai +/-15V cho các IC loại Op-Amp và nguồn 5V cho các IC TTL, đồng thời cấp cho mạch DSP như sau

H2.3 Nguồn cho Op-Amp và TTL

Thực hiện mạch trong thực tế

H2.4 Hình ảnh phần mạch nguồn

Phiên bản LinDrive2.1 thiết kế phần nguồn cách ly cho từng van riêng biệt và cũng sử dụng duy nhất một IC tạo xung  push-pull phía sơ cấp. Phần tử công suất chịu dòng lớn sử dụng 02 van MOSFET loại IRF640.

H2.5 Nguồn cách ly cho từng IC khiển van công suất

Vì nguồn nuôi cho IC khiển van có thể nằm trong dải rộng từ 8V đến 30V nên chỉ cần một cầu chỉnh lưu phía thứ cấp biến áp là đủ, không cần IC ổn áp gây phức tạp mạch nguồn.

2. Mạch khiển van

Sử dụng 08 IC drive và 08 nguồn riêng biệt.

IC HPCL316J có các đặc điểm chính sau:

- Cách ly hoàn toàn phía logic và phía lực. Phía logic sử dụng nguồn riêng 4.5-5.5V, tương thích cả CMOS/TTL. Phía lực sử dụng nguồn riêng, chính bằng điện áp sẽ cấp đến chân van công suất.

- Bảo vệ quá dòng, ngắt tín hiệu khiển đến van nếu phát hiện quá dòng. Nguyên tắc của việc này là chip nhận biết điện áp rơi trên lớp tiếp giáp D-S. Khi quá cao chính là khi quá dòng,  chip ngắt tín hiệu mở tại chân G, khóa drive, báo lỗi nên rất an toàn trong điều kiện tiến hành thử nghiệm.

H2.6 Mạch khiển van công suất

H2.7 Tín hiệu mở van tại chân Gate

3. Mạch bảo vệ logic và phối hợp tín hiệu PWM

Trong thiết kế LinDrive2.1, sử dụng cụm mạch dùng chip “trắng” CPLD để lập trình các logic cần thiết

H2.8 Mạch dùng CPLD EPM7064

Tín hiệu vào gồm có

- Toàn bộ 12 đường tín hiệu PWM từ DSP. Việc chọn tín hiệu nào xuất ra kênh đầu ra phụ thuộc vào việc cấu hình chip CPLD

- 08 kênh báo lỗi từ các IC drive

- Tín hiệu Reset. Khi các IC drive chuyển sang chế độ bảo vệ quá dòng, các IC này sẽ chốt (latch) trạng thái bảo vệ cho đến khi có xung reset.

- Tín hiệu Enable cho các kênh PWM.

Thực hiện phần khóa lỗi. Một trong các IC drive báo lỗi sẽ tạo thành xung ngắt, đưa về DSP

H2.10 Config ngắt lỗi

Thực hiện khóa chéo

H2.11 Khóa chéo tín hiệu điều chế bằng phần cứng, phối hợp PWM_EN

Kết quả thực nghiệm cho thấy mạch hoạt động rất hiệu quả. Các sai sót trong quá trình thử nghiệm được loại trừ hậu quả tối đa.

4. Kết quả thi công và thử nghiệm

Một số hình ảnh của thiết bị và các đặc tính

 

 

 

 

 

 

2.11 Toàn bộ mạch thực hiện, từ góc trái

2.12 Mạch LinDrive 2.1 nhìn từ trên xuống

2.12 Phần mạch drive van và bảo vệ

2.14 Tín hiệu ra của chip CPLD, đưa đến IC drive

2.15 Tín hiệu điều chế tại chân IC drive, đo trên một nhánh cầu H

2.16 Tín hiệu tại chân G-S, đo trên một nhánh cầu H

2.17 Điện áp trên cuộn dây pha A và B động cơ, đo với thang thời gian 100us

2.18 Điện áp trên cuộn dây A và B, đo với thang thời gian 2ms