Chương 26: Những nguyên lý cơ bản của cơ chế servo
MỤC TIÊU
Sau khi tìm hiểu chương này có thể:
- Giải thích hoạt động của hệ servo vận tốc vòng kín và mô tả các đặc tính điều chỉnh tốc độ của
nó.
- Tóm tắt các đặc điểm của điều khiển servo vị trí kiểu bang-bang, tỷ lệ (proportional), và số hóa,
đồng thời giải thích cách chúng hoạt động.
- Liệt kê và mô tả các đặc tính tĩnh và động của một hệ servo.
Tóm tắt đặc điểm của servo vị trí điểm-đến-điểm (point-to-point) và servo vị trí theo đường dẫn
(contouring position servo).
- Liệt kê và giải thích chức năng của các bộ khuếch đại phản hồi đa vòng (multi-loop feedback
amplifiers) được sử dụng trong các hệ servo vị trí.
- Mô tả đặc điểm của các chế độ PID và điều khiển bù tiên đoán (feed-forward).
- Giải thích quy trình hiệu chỉnh (tuning) một hệ servo.
- Mô tả hoạt động của hệ servo chính–phụ (master–slave).
GIỚI THIỆU
Nhiều loại hệ thống điều khiển chuyển động hỗ trợ sản xuất sản phẩm. Mỗi hệ thống được thiết kế
đặc biệt để thực hiện các chức năng yêu cầu. Mục tiêu của nhà thiết kế khi phát triển hệ thống là
xây dựng một máy móc có các đặc tính cần thiết phù hợp với ứng dụng.
Các thuật ngữ "hệ thống" và "điều khiển" thường được sử dụng để mô tả các cơ cấu servo. Hệ
thống được định nghĩa là một tổ hợp các bộ phận được kết nối với nhau để vận hành như một đơn
vị hoàn chỉnh. Để hoạt động đúng chức năng, hệ thống cần được điều khiển để thực hiện nhiệm
vụ mong muốn.
Việc điều khiển được thực hiện thông qua các thiết bị tương tự (analog) và số hóa (digital), có khả
năng vận hành theo cả chế độ vòng hở (open-loop) và vòng kín (closed-loop). Trong chương này,
các ví dụ về hệ thống vòng hở và vòng kín, tương tự và số hóa sẽ được nghiên cứu. Ngày nay, điều
khiển số hóa được sử dụng rộng rãi hơn trong các ứng dụng điều khiển hiện đại.
Các đặc tính điều khiển chuyển động cũng sẽ được nhận diện. Các loại mạch và chế độ điều khiển
khác nhau có khả năng cung cấp các đặc tính này sẽ được mô tả. Thông tin này hữu ích khi phát
triển các hệ servo vận tốc và vị trí.
I. Closed-Loop Velocity Servo
Điều khiển tốc độ là một hoạt động phổ biến trong các ứng dụng điều khiển chuyển động. Mục
đích của điều khiển tốc độ là thiết lập tốc độ quay hoặc tuyến tính mong muốn của một vật thể
chuyển động và cung cấp sự điều chỉnh tốc độ dưới các điều kiện tải thay đổi.
Hệ thống điều khiển tốc độ được mô tả trong Hình 1. Tốc độ góc của nó tỷ lệ thuận với điện áp
đầu vào tham chiếu áp dụng ở phía bên trái sơ đồ. Giả sử một tín hiệu đặt 5 volt được áp dụng vào
đầu vào. Hệ thống phản hồi bằng cách cung cấp dòng điện cho rôto khiến động cơ DC quay. Nếu
điện áp lệnh tăng lên, động cơ sẽ quay nhanh hơn. Khi động cơ quay, một máy đo tốc độ
(tachometer) được gắn cơ học vào trục động cơ cũng quay. Máy đo tốc độ DC này tạo ra một điện
áp DC tỷ lệ với tốc độ quay của trục. Đối với máy đo tốc độ này, điện áp đầu ra là 1 volt cho mỗi
1250 RPM. Điện áp này thay đổi dấu khi hướng quay của trục bị đảo ngược. Máy đo tốc độ cung
cấp tín hiệu phản hồi cho hệ thống vòng kín và áp dụng nó vào điểm cộng của bộ so sánh. Tín hiệu
phản hồi 2 volt được áp vào đầu vào đảo của bộ so sánh sẽ bị trừ đi tín hiệu đặt 5 volt áp vào đầu
vào không đảo của bộ so sánh. Kết quả là một tín hiệu lỗi 3 volt được tạo ra ở đầu ra của bộ so
sánh. Sau khi được khuếch đại, tín hiệu lỗi được sử dụng để điều khiển động cơ.
Hình 1. Một hệ thống điều khiển vận tốc vòng kín hoạt động dưới điều kiện tải bình thường.
Chức năng chính của máy đo tốc độ là cung cấp sự điều chỉnh tốc độ (được gọi là sự ổn định) cho
hệ thống. Giả sử động cơ trong Hình 1 quay một ròng rọc truyền động trên một băng chuyền. Tốc
độ quay của động cơ là 2500 RPM. Nếu có một nhiễu loạn được đưa vào, chẳng hạn như một chiếc
hộp nặng được đặt lên băng chuyền, dòng điện cung cấp cho rôto không đủ để giữ cho động cơ
quay với tốc độ như cũ. Khi động cơ chậm lại còn 1250 RPM, điện áp máy đo tốc độ giảm xuống
còn 1 volt, như mô tả trong Hình 2. Bộ so sánh phản ứng bằng cách tăng tín hiệu lỗi lên 4 volt.
Với tín hiệu lỗi tăng lên, dòng điện lớn hơn chảy qua rôto, tạo ra mô-men xoắn cao hơn cần thiết
để đáp ứng yêu cầu tải tăng.
Hình 2. Phản ứng của hệ thống điều khiển tốc độ đối với điều kiện tải quá mức
Bây giờ giả sử nhiễu loạn đã được loại bỏ. Dòng điện tăng cao qua rôto khiến động cơ tăng tốc lên
3750 RPM. Khi máy đo tốc độ quay nhanh hơn, nó tạo ra tín hiệu phản hồi 3 volt, như mô tả trong
Hình 3. Bộ so sánh phản ứng bằng cách giảm tín hiệu lỗi xuống còn 2 volt. Dòng điện giảm cung
cấp cho rôto khiến động cơ chậm lại. Khi hệ thống cuối cùng ổn định, tín hiệu lỗi trở lại 3 volt và
tốc độ động cơ quay lại 2500 RPM.
Hình 3. Phản ứng của hệ thống điều khiển tốc độ khi tải nặng được gỡ bỏ
II. Bang-Bang Position Servo
Một hệ thống điều khiển vị trí bang-bang là một hệ thống đơn giản và chi phí thấp, khá dễ dàng
triển khai. Một ví dụ về servo bang-bang là hệ thống trong Hình 4(a), sử dụng một xe đẩy để
chuyển lúa từ vị trí này sang vị trí khác.
Hình 4. Điều khiển servo bang-bang
Quá trình vận hành bắt đầu bằng cách di chuyển xe đẩy vào vị trí tải sao cho nó có thể được đổ
đầy vật liệu vào. Khi một cảm biến căng dưới đường ray phát hiện rằng xe đẩy đã đầy, quá trình
đổ dừng lại. Sau đó, xe đẩy ngay lập tức di chuyển trên đường ray với tốc độ nhanh nhất có thể
sau khi nguồn điện được cấp cho động cơ của nó. Khi xe đẩy chạm vào công tắc giới hạn "dump",
nguồn điện được ngừng cung cấp cho động cơ và xe đẩy sẽ trôi dần đến khi dừng lại ở vị trí miệng
thùng. Cửa dưới của xe đẩy mở ra và xả tải vật liệu ra ngoài. Khi cảm biến căng trên đường ray
phát hiện xe đẩy đã xả hết, cửa đóng lại, nguồn điện được cấp lại cho động cơ và xe đẩy di chuyển
về phía vị trí tải với tốc độ nhanh nhất có thể. Khi xe đẩy chạm vào công tắc giới hạn "Load",
nguồn điện được ngừng cấp cho động cơ và nó trôi về vị trí để tái nạp.
Hình 4(b) cho thấy một biểu đồ mô tả hoạt động khi xe đẩy di chuyển đến vị trí đổ. Công tắc giới
hạn "Dump" đại diện cho giới hạn trên. Khi xe đẩy di chuyển sang trái và chạm vào công tắc này,
nguồn điện của động cơ sẽ bị tắt. Xe đẩy sẽ trôi vào vị trí mong muốn nằm trong khu vực sai số
lệch. Nếu quán tính của xe đẩy quá lớn do tải trọng hoặc tốc độ quá cao, nó sẽ trôi qua giới hạn
dưới và ra ngoài phạm vi. Để khắc phục vấn đề này, cần phải giảm tải, giảm độ lợi của bộ khuếch
đại động cơ, hoặc mở rộng khu vực mà xe đẩy dừng lại. Lựa chọn thuận tiện nhất là giảm độ lợi
của bộ khuếch đại. Thuật ngữ "bang-bang" được rút ra từ cách thức mà tải di chuyển (với tốc độ
tối đa) cho đến khi nó đạt đến một trong hai giới hạn di chuyển.
Servo bang-bang được sử dụng trong các ứng dụng có năng suất cao mà không yêu cầu độ chính
xác chặt chẽ. Ví dụ, nó có thể được sử dụng trong quá trình gia công thép cốt bê tông, nơi vật liệu
được chuyển vào vị trí nhanh nhất có thể trước khi được cắt theo kích thước. Nếu sai số trong
khoảng một hoặc hai inch, độ chính xác của hệ thống bang-bang là đủ.
III. Proportional Position Servomechanisms
Với hệ thống vòng kín tỉ lệ, vùng sai số lệch có thể được làm hẹp hơn rất nhiều. Có nhiều ứng
dụng sử dụng điều khiển vị trí tỉ lệ, chẳng hạn như máy chèn tự động đặt các linh kiện lên bảng
mạch in, cánh tay robot hàn trên khung xe ô tô, hoặc máy công cụ điều khiển số cắt các mẫu trên
phôi kim loại.
Servo Vị Trí Tương Tự (Analog Position Servo)
Một servo vị trí tương tự được thể hiện trong Hình 6. Bộ chấp hành là một động cơ DC nam châm
vĩnh cửu. Thông qua một loạt ròng rọc, dây đai, và bánh răng, động cơ truyền động một thanh răng
theo chiều ngang ở cả hai hướng. Sự quay của cơ cấu di chuyển thanh gạt của một chiết áp
(potentiometer) qua một cung 300 độ. Chiết áp này là bộ chuyển đổi phản hồi của hệ thống. Điện
áp trên thanh gạt là biểu thị của vị trí. Tín hiệu phản hồi được đưa về một bộ khuếch đại tổng, nơi
nó triệt tiêu tín hiệu điểm đặt (setpoint) biểu thị vị trí lệnh mong muốn. Bộ khuếch đại tổng hoạt
động như bộ điều khiển và tạo ra tín hiệu lỗi của hệ thống.
Hình 6. An analog position servo
Khi điện áp từ chiết áp phản hồi vị trí bằng với điện áp điểm đặt, không có tín hiệu lỗi. Động cơ
không di chuyển vì không có điện áp nào được cấp cho bộ khuếch đại công suất. Để di chuyển cơ
cấu thanh răng sang bên trái, điện áp điểm đặt được tăng lên. Vì biên độ dương của điểm đặt lớn
hơn điện áp phản hồi âm, bộ khuếch đại tổng tạo ra tín hiệu lỗi âm. Kết quả là bộ khuếch đại công
suất đảo chiều tạo ra một điện áp dương. Điện áp này khiến động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
(CW) và dẫn động bánh răng quay CW, làm thanh răng di chuyển sang trái. Khi bánh răng quay
CW, chiết áp cũng quay theo. Khi điện áp phản hồi trở nên âm hơn, tín hiệu lỗi nhỏ dần và động
cơ chậm lại. Cuối cùng, điện áp phản hồi âm từ chiết áp triệt tiêu điện áp điểm đặt dương và tín
hiệu lỗi giảm về 0. Thanh răng dừng lại.
Bằng cách giảm điện áp điểm đặt, một chuỗi sự kiện tương tự xảy ra. Tuy nhiên, vì các cực tính
và chuyển động cơ học đối nghịch nhau, thanh răng di chuyển sang phải.
IV. Digital Position Control
Hình 7 minh họa cách điều khiển vị trí của một thiết bị chuyển động tuyến tính bằng một lệnh số
được nhập qua bàn phím với các số từ 0 đến 9. Một cơ cấu thanh được định vị bởi một cơ cấu bánh
răng - giá có 10 vùng vị trí với các chốt cơ khí ở cả hai đầu hành trình. Thanh được hiển thị ở vị
trí 0 và vị trí của nó được phát hiện bởi một bánh mã Gray gắn trên cùng trục động cơ với bánh
răng. Khi một số lớn hơn 0 được nhập vào bàn phím, bánh răng quay theo chiều kim đồng hồ
(CW), khiến thanh di chuyển sang trái. Khi thanh đạt đến vùng trùng với số được nhập vào bàn
phím, bánh răng dừng lại và đèn sáng. Nếu một số thứ hai được nhập lớn hơn số đầu tiên, bánh
răng sẽ lại quay CW cho đến khi thanh đạt đến vị trí mới. Tuy nhiên, nếu số thứ hai được nhập
nhỏ hơn số đầu tiên, bánh răng sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW), đẩy thanh sang phải cho
đến khi vị trí của nó bằng với số được nhập. Tại thời điểm đó, bánh răng sẽ dừng và đèn sẽ sáng.
Hình 7. Điều khiển vị trí vật lý bằng kỹ thuật số
Để giải thích rõ hơn về hoạt động định vị, mô tả chức năng của các phần khác nhau được cung cấp
như sau:
1) Phần nhập liệu (Keypad):
Để di chuyển cơ cấu thanh đến bất kỳ một trong 10 vị trí, một lệnh được nhập qua bàn phím có 10
phím khác nhau được đánh số từ 0 đến 9. Khi giá trị mong muốn được chèn vào bằng cách nhấn
một trong các phím, một xung đặt lại âm (R) 10 ms xóa các flip-flop. Sau đó, các đầu ra số kích
hoạt mức thấp sẽ được kích hoạt khi một số nhị phân tương đương được nạp song song vào một
thanh ghi lưu trữ 4 bit.
2) Phần quyết định (Magnitude Comparator):
Phần điều khiển của bộ định vị là một mạch số được gọi là bộ so sánh độ lớn. Như đã mô tả trong
Chương 2, nó được tạo thành từ hai đầu vào 4 bit riêng biệt và ba đầu ra đơn. Chức năng của mạch
là so sánh đầu vào 4 bit A với đầu vào 4 bit B. Nếu giá trị số nhị phân áp dụng cho đầu vào A lớn
hơn B, đường đầu ra A > B sẽ lên mức cao trong khi hai đầu ra còn lại ở mức thấp. Nếu giá trị số
của đầu vào B lớn hơn A, đường A < B sẽ lên mức cao trong khi các đầu ra khác ở mức thấp. Nếu
giá trị số nhị phân của đầu vào A và B giống nhau, đường A = B sẽ lên mức cao trong khi các đầu
ra khác ở mức thấp.
3) Phần khuếch đại:
Phần khuếch đại bao gồm hai đầu vào riêng biệt và một đường đầu ra. Một trong các đầu vào được
kết nối với đầu ra A > B của bộ so sánh độ lớn. Đầu vào còn lại được kết nối với đầu ra A < B.
Đường đầu ra của phần khuếch đại cung cấp một điện áp đủ để điều khiển động cơ DC định vị của
mạch.
Khi đầu ra A > B của bộ so sánh lên mức cao, tín hiệu này được áp dụng vào đầu vào của op-amp.
Vì op-amp được đặt với độ lợi bằng 1, chức năng duy nhất của nó là đảo chiều tín hiệu +5 volt
thành -5 volt. Khi -5 volt được áp dụng vào đầu vào bộ khuếch đại công suất tổng, nó được khuếch
đại và đảo chiều thành một điện áp dương.
Khi đầu ra A < B của bộ so sánh lên mức +5 volt cao, tín hiệu này được áp dụng trực tiếp vào bộ
khuếch đại công suất, khuếch đại và đảo chiều tín hiệu thành một điện áp âm.
4) Phần chấp hành:
Thiết bị thực hiện định vị vật lý trong hệ thống là động cơ DC. Điện áp được sử dụng để kích hoạt
động cơ được cung cấp bởi bộ khuếch đại công suất tổng. Khi đầu ra của bộ khuếch đại công suất
là dương, dòng electron chảy từ đất qua động cơ đến đầu ra. Khi đầu ra của phần nguồn là âm,
dòng electron chảy từ đầu ra qua động cơ và sau đó đến đất. Vì dòng điện có thể chảy qua động
cơ theo hai hướng khác nhau, nó có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng
hồ.
5) Phần cảm biến:
Gắn trên trục động cơ là một thiết bị cảm biến phát hiện vị trí của hệ thống. Hình 7 cho thấy cảm
biến bao gồm một đĩa, bốn đèn và bốn cảm biến ánh sáng quang học. Các khe trên đĩa được sắp
xếp theo một mẫu gồm các số 1 và 0 ở định dạng mã Gray. (Hình vẽ một đĩa mã Gray được hiển
thị trong Hình 17.) Nó cho thấy rằng mã Gray được chia thành 10 vùng hình quạt bằng nhau, mỗi
vùng đại diện cho một khu vực 36 độ.
6) Cơ cấu bánh răng - giá:
Gắn vào đầu trục động cơ là một bánh răng nhỏ ăn khớp với các răng trên cơ cấu thanh. Khi bánh
răng quay CW, thanh di chuyển sang trái; khi bánh răng quay CCW, thanh di chuyển sang phải.
7) Mạch chuyển đổi:
Các số mã Gray được tạo ra bởi bốn cảm biến đại diện cho 10 vị trí vật lý khác nhau của bộ định
vị số. Tuy nhiên, trước khi các số mã Gray 4 chữ số được áp dụng vào đầu vào B của bộ so sánh
độ lớn, chúng được chuyển đổi thành các giá trị nhị phân tương đương. Quá trình chuyển đổi là
cần thiết vì một số nhị phân được áp dụng vào đầu vào A của bộ so sánh và bộ so sánh phải so
sánh các giá trị từ cùng một hệ thống số để hoạt động chính xác. Quá trình chuyển đổi được thực
hiện bởi ba cổng XOR (1, 2 và 3) hoạt động như một bộ mã hóa mã Gray sang nhị phân.
Hoạt động điều khiển vị trí số (tham khảo hình 7)
- Giả sử cơ cấu thanh được đặt tại vị trí 0. Bánh mã Gray gắn trên trục động cơ tạo ra một đầu ra
4 bit là 0000 được áp dụng vào bộ mã hóa, bộ mã hóa này cũng tạo ra một đầu ra là 0000. Giả sử
rằng số được lưu trữ trong thanh ghi là 0000.
- Vì đầu ra của thanh ghi áp dụng vào đầu vào A của bộ so sánh là giống với đầu ra của bộ mã hóa
áp dụng vào đầu vào B, đầu ra A = B sẽ lên mức cao và bật đèn.
- Nếu phím 6 được nhấn trên bàn phím, số 0110 sẽ được nạp vào thanh ghi. Khi cơ cấu thanh vẫn
ở vị trí 0, đầu vào A sẽ lớn hơn đầu vào B. Do đó, đầu ra A > B của bộ so sánh độ lớn sẽ lên mức
cao, và đầu ra A = B sẽ xuống mức thấp.
- Tín hiệu +5 volt từ đầu ra A > B được áp dụng vào bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại này
sẽ bị đảo chiều và khuếch đại để tạo ra một điện áp đủ lớn để điều khiển động cơ.
- Khi dòng electron chảy qua động cơ từ đầu ra âm của bộ khuếch đại công suất đến đất, động cơ
sẽ quay theo chiều kim đồng hồ (CW). Vì đĩa và bánh răng được gắn trên cùng một trục động cơ,
chúng quay cùng nhau. Kích thước của mỗi vùng ở phần ngoài cùng của bánh răng và đĩa bằng
với kích thước của vùng tương ứng trên cơ cấu thanh. Do đó, khi bánh răng và đĩa quay 36 độ, cơ
cấu thanh sẽ di chuyển một khoảng cách bằng với một vùng.
- Khi cơ cấu thanh đạt đến vùng 6, bánh mã Gray sẽ tạo ra 0101, và bộ mã hóa sẽ chuyển đổi nó
thành nhị phân 0110.
- Khi thanh ghi cung cấp số 0110 vào đầu vào A của bộ so sánh độ lớn và đầu ra của bộ mã hóa
cung cấp số 0110 vào đầu vào B, đầu ra A > B của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và dừng động
cơ. Vì cơ cấu bánh răng và thanh cũng dừng lại, đầu ra A = B sẽ lên mức cao và bật đèn.
Servo Vị trí Tuyến Tính Điện Thủy Lực
Servo vị trí tuyến tính điện thủy lực, như được mô tả trong Hình 8, nhận tín hiệu lệnh số đại diện
cho giá trị số. Sau khi nhận lệnh đầu vào, mạch sẽ làm cho pít-tông thủy lực di chuyển đến vị trí
tuyến tính tương ứng với số đã nhập trên bàn phím. Số lượng các vị trí khác nhau bị giới hạn trong
phạm vi từ 0 đến 9 inch. Mỗi bước đếm khiến pít-tông di chuyển 1 inch.
Mỗi số thập phân nhập vào bàn phím cũng được nạp vào một thanh ghi 4 bit, bao gồm bốn flipflop, dưới dạng giá trị mã hóa thập phân nhị phân (BCD). Số BCD sau đó được chuyển đổi thành
điện áp analog tỷ lệ với bộ chuyển đổi D/A. Điện áp analog, có thể là 0 hoặc điện áp dương, được
áp vào một đầu vào của bộ khuếch đại op-amp tổng hợp hoạt động như một bộ so sánh. Mỗi khi
giá trị BCD tăng, đầu ra của bộ D/A tăng lên 1 volt.
Pít-tông (chuyển động tuyến tính) được nối cơ học với một LVDT. LVDT tạo ra một điện áp
analog, có thể là 0 hoặc điện áp âm. Điện áp này được áp vào một đầu vào thứ hai của bộ so sánh
op-amp tổng hợp. Khi pít-tông được rút lại ở vị trí ban đầu, LVDT tạo ra đầu ra 0 volt. Mỗi inch
mà pít-tông kéo dài từ vị trí ban đầu sẽ làm tăng đầu ra LVDT lên 1 volt âm.
Hình 8. Electrohydraulic linear position servo
Hoạt động của Servo Vị trí Tuyến Tính Điện Thủy Lực
Tham khảo Hình 8. Giả sử pít-tông ở vị trí ban đầu và nội dung thanh ghi là 0. Vì đầu ra của bộ
D/A là 0 volt và đầu ra của LVDT là 0 volt, cuộn van servo ở vị trí trung tâm.
Giả sử người vận hành máy muốn pít-tông mở rộng 5 inch. Một mô tả về cách mạch thực hiện
chức năng này như sau:
- Người vận hành nhấn phím 5.
- Đóng phím kích hoạt một mạch đa rung đơn trong mạch bàn phím tạo ra một xung trạng thái 0
trong 10 ms ở đầu ra R. Xung âm này được gửi đến các đầu vào xóa của các flip-flop FF1-FF4,
khiến chúng được đặt lại đồng thời.
- Khi hoàn thành xung đơn trong khi nhấn phím số 5, các đầu ra 1 và 4 xuống mức thấp và các đầu
ra 2 và 8 giữ mức cao. Do đó, thanh ghi nạp sẵn giá trị BCD 5.
- Màn hình LED hiển thị số 5 khi các đầu ra Q của từng flip-flop được áp vào bộ giải mã BCD
sang thập phân.
- Số trong thanh ghi khiến bộ D/A tạo ra đầu ra +5 volt. Điện áp này được áp vào đầu vào trên của
bộ khuếch đại op-amp tổng hợp, và 0 volt từ LVDT được áp vào đầu vào dưới. Kết quả là bộ
khuếch đại op-amp tạo ra -5 volt và di chuyển cuộn van servo sang trái, khiến pít-tông mở rộng.
- Khi pít-tông đã di chuyển 5 inch, -5 volt từ LVDT sẽ hủy bỏ +5 volt từ bộ D/A, khiến cuộn van
di chuyển về vị trí trung tâm.
- Người vận hành nhấn phím 2.
- Sau khi xung đơn xóa đếm, số BCD 2 được nạp vào thanh ghi. Giá trị này khiến +2 volt được áp
vào đầu vào trên của bộ khuếch đại op-amp tổng hợp.
- Bộ khuếch đại op-amp tạo ra +3 volt vì +2 volt hủy bỏ một phần -5 volt từ LVDT. Kết quả là
hành động solenoid trong van servo di chuyển cuộn van sang phải và khiến chất lỏng rút pít-tông
lại.
- Khi pít-tông ở vị trí 2 inch, điện áp +2 từ bộ D/A và -2 volt từ LVDT sẽ hủy bỏ nhau. Khi cuộn
van servo trung tâm, chất lỏng bị chặn và cần pít-tông ngừng di chuyển.
Sự khác biệt chính giữa hệ thống servo vị trí vòng kín và hệ thống servo vận tốc vòng kín là điều
gì sẽ xảy ra với tín hiệu lỗi khi đạt đến trạng thái cân bằng. Cân bằng trong hệ thống vị trí đạt được
khi tín hiệu lỗi trở thành 0 và bộ truyền động dừng lại. Cân bằng trong hệ thống vận tốc không xảy
ra khi tín hiệu lỗi trở thành 0. Thay vào đó, nó xảy ra khi độ lớn của tín hiệu lỗi được điều chỉnh
để làm cho bộ truyền động quay lại tốc độ mong muốn sau khi có sự gián đoạn, hoặc khi một thay
đổi tín hiệu lệnh được thực hiện. Nếu tín hiệu lỗi trở thành 0, như trong hệ thống vị trí, bộ truyền
động gây ra vận tốc sẽ dừng lại.
V. Đặc tính của cơ cấu Servo
Nhà thiết kế cố gắng đảm bảo rằng một cơ cấu điều khiển chuyển động có các đặc tính cần thiết
để hoạt động hiệu quả. Những đặc tính này thuộc hai loại chính: tĩnh và động.
Đặc tính tĩnh liên quan đến hành vi ở trạng thái ổn định của hệ thống servo. Trạng thái này xảy ra
khi tải đứng yên, chẳng hạn như khi tải ở vị trí ban đầu hoặc đã đạt đến điểm cuối. Đặc tính động
liên quan đến hành vi của hệ thống khi có sự thay đổi đột ngột trong tín hiệu đầu vào. Trạng thái
này xảy ra khi tải đang di chuyển.
Các đặc tính tĩnh của một cơ cấu servo điển hình bao gồm độ chính xác, độ phân giải, khả năng
lặp lại và độ cứng. Chúng thường liên quan đến cơ cấu servo định vị.
+ Độ chính xác là mức độ mà đầu ra cố gắng khớp với lệnh đầu vào.
+ Độ phân giải là thay đổi đầu ra rời rạc nhỏ nhất về vị trí mà hệ thống servo có thể thực hiện.
+ Khả năng lặp lại là phạm vi mà vị trí đầu ra của hệ thống servo sẽ dừng lại khi một tín hiệu
lệnh đầu vào được lặp lại.
Độ cứng là sự miễn cưỡng của cơ cấu chấp hành đối với việc lệch khỏi vị trí mong muốn được xác
định bởi tín hiệu lệnh. Một hệ thống có đặc tính độ cứng tốt nếu nó phản ứng nhanh với sự thay
đổi tín hiệu lệnh hoặc trở về vị trí đứng yên khi có nhiễu tải.
Các đặc tính động của một hệ thống servo điển hình bao gồm tính ổn định và đáp ứng thoáng qua.
+ Tính ổn định là mức độ vượt quá tối đa cho phép so với vị trí mong muốn. Sự không ổn định
xảy ra khi tải dao động liên tục thay vì đứng yên.
+ Đáp ứng thoáng qua là thời gian phản ứng của cơ cấu chấp hành đối với các thay đổi đột ngột
về tốc độ hoặc tín hiệu vị trí. Giá trị này được định nghĩa là thời gian cần thiết để đi từ 10% đến
90% giá trị cuối cùng. Thuật ngữ đáp ứng thoáng qua cũng được gọi là băng thông. Băng thông
càng rộng, thời gian phản ứng càng nhanh.
VI. Thiết kế position servo
Các ứng dụng điều khiển vị trí thường thuộc hai loại cơ bản: point-to-point và contouring.
1) Point-to-point
ín hiệu điều khiển trong nhiều ứng dụng điều khiển point-to-point là một điện áp bước được áp
dụng vào đầu vào của hệ thống. Điện áp bước được đặc trưng bởi sự thay đổi đột ngột và rời rạc
về biên độ từ một mức này sang mức khác.
Các đặc tính động lực học như tính ổn định và phản hồi quá độ rất quan trọng trong thiết kế cơ cấu
servo. Để hệ thống hữu dụng, nó phải ổn định. Do đó, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phải
được giới hạn ở giá trị mang lại mức độ ổn định yêu cầu. Để xác định tính ổn định, một bài kiểm
tra phản hồi quá độ được thực hiện bằng cách sử dụng mạch trong Hình 9. Để thực hiện bài kiểm
tra, công tắc phản hồi quá độ được mở trong khi một tín hiệu lệnh mới được chọn bằng cách điều
chỉnh biến trở điều khiển 1 đến một mức mới. Bài kiểm tra được thực hiện bằng cách quan sát
chuyển động của đầu ra khi công tắc được đóng. Tại thời điểm tín hiệu điện áp bước xuất hiện, tín
hiệu lỗi tại biến trở hồi tiếp đạt mức tối đa.
Hình 9. Mạch để minh họa kiểm tra phản hồi quá độ
Tiêu chí ổn định được xác định là mức vượt quá tối đa cho phép. Tốc độ phản hồi được định nghĩa
là thời gian cần thiết để di chuyển từ 10 phần trăm đến 90 phần trăm giá trị cuối cùng. Hầu hết các
ứng dụng point-to-point yêu cầu chuyển động nhanh chóng mà không gây vượt quá mức lớn.
Bằng cách kết nối bộ ghi đồ thị qua các cực động cơ, bài kiểm tra phản hồi quá độ có thể được
hiển thị dưới dạng đồ họa. Hình 10 minh họa ba ví dụ về các bài kiểm tra. Trong Hình 10(a), điều
kiện lý tưởng đạt được bằng cách cung cấp thời gian tăng ngắn nhất có thể mà không có vượt quá.
Hệ thống được điều chỉnh tới hạn khi điều kiện này đạt được. Trong Hình 10(b), một điều kiện
dưới tới hạn xảy ra khi vượt quá phát sinh do thời gian tăng bị rút ngắn. Đây là một điều kiện
không ổn định hoặc dao động. Trong Hình 10(c), một trường hợp quá tới hạn xảy ra khi thời gian
tăng bị kéo dài và không có vượt quá xảy ra. Quá tới hạn là không mong muốn vì thời gian phản
hồi quá dài.
Hình 10. Các ví dụ về kiểm tra phản hồi quá độ
Để đạt được trạng thái điều chỉnh tới hạn, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phải được thiết lập
chính xác để tạo ra mô-men xoắn cần thiết để di chuyển tải. Nếu hệ số khuếch đại quá cao, hệ
thống sẽ ở trạng thái dưới tới hạn. Khi hệ số này quá thấp, trạng thái quá tới hạn sẽ xảy ra. Nếu
các yếu tố quán tính, ma sát hoặc trọng lực trên tải thay đổi trong một hệ thống điều chỉnh tới hạn,
việc điều chỉnh hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể không đủ để khắc phục các điều kiện
này.
Ví dụ, giả sử trọng lượng của tải được tăng lên. Trọng lượng tăng lên tạo ra quán tính tĩnh cao hơn.
Do đó, hệ thống sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt được vận tốc mong muốn khi có sự thay đổi đầu
vào, vì gia tốc bị giảm, được xác minh bởi công thức sau:
𝑎=
𝑇
𝐽𝑠
Trong đó:
a = Gia tốc quay
T = Mô-men xoắn tác dụng
Js = Quán tính quay của hệ thống
Hệ thống cũng sẽ cần nhiều thời gian hơn để di chuyển một khoảng cách nhất định:
Sự dịch chuyển = Vận tốc * thời gian
Để đạt được thời gian phản hồi quá độ tương tự với tải ban đầu, hệ số khuếch đại phải được tăng
lên để khắc phục quán tính tĩnh. Tuy nhiên, khi vị trí cuối đạt được, quán tính động sẽ khiến tải di
chuyển vượt quá vị trí mong muốn. Để khắc phục các điều kiện tải khác nhau, các sửa đổi hệ thống
cung cấp các đặc tính cần thiết được thực hiện, chẳng hạn như phản hồi tốc độ của bộ đo tốc độ
được mô tả dưới đây.
Tốc độ của Bộ đo tốc độ (Tachometer Velocity)
Một phương pháp để cải thiện thời gian phản hồi quá độ cho các điều kiện tải khác nhau là thêm
một bộ khuếch đại tổng tốc độ với phản hồi từ bộ đo tốc độ. Vòng lặp tốc độ này được đặt bên
trong vòng lặp vị trí như trong Hình 11. Bằng cách sử dụng hai bộ khuếch đại, độ khuếch đại tổng
thể của hệ thống sẽ lớn hơn so với một mạch khuếch đại đơn.
Khi công tắc phản hồi quá độ được đóng, tín hiệu lỗi vị trí do bộ khuếch đại vị trí tạo ra đạt giá trị
tối đa. Tín hiệu lỗi vị trí được nhân với hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tốc độ. Vì động cơ
chưa bắt đầu di chuyển, đầu ra của bộ đo tốc độ là bằng không. Vì tín hiệu từ bộ đo tốc độ không
trừ đi tín hiệu lỗi vị trí, tín hiệu lỗi tốc độ trở nên tối đa. Dòng điện lớn do đó tạo ra mô-men xoắn
giúp động cơ tăng tốc nhanh chóng, cung cấp thời gian phản hồi nhanh. Ngay khi động cơ tăng
tốc, bộ đo tốc độ gửi tín hiệu phản hồi tới bộ khuếch đại tốc độ. Tác dụng kết hợp của việc tín hiệu
lỗi vị trí trở nên nhỏ và tín hiệu phản hồi tốc độ trừ đi khỏi nó khiến tín hiệu lỗi tốc độ giảm mạnh.
Kết quả là một hành động giảm tốc gọi là damping (dập tắt), ngăn chặn việc tải vượt quá vị trí
mong muốn.
Hình 11. Phản hồi tốc độ từ bộ đo tốc độ
Phản hồi từ bộ đo tốc độ mang lại nhiều lợi ích bổ sung cho một servo vị trí. Ví dụ, trong hệ thống
lỗi vị trí không có bộ đo tốc độ, khi tải tiếp cận vị trí mong muốn, điện áp phản hồi vị trí thay đổi
cho đến khi gần bằng điện áp tín hiệu lệnh nhưng có cực tính ngược lại. Tín hiệu lỗi vị trí kết quả
giảm xuống một mức quá nhỏ để vượt qua lực ma sát của tải. Kết quả là động cơ sẽ làm chậm lại
cho đến khi dừng ngay trước vị trí mong muốn. Do đó, tín hiệu lỗi không đạt bằng không, dẫn đến
lỗi trạng thái ổn định. Khi thêm vòng lặp bộ đo tốc độ, tín hiệu lỗi từ bộ khuếch đại vị trí được
nhân với hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tốc độ để vượt qua lực ma sát tải nhanh hơn. Chuyển
động của động cơ tiếp tục cho đến khi đạt vị trí cuối cùng.
Một bài kiểm tra đơn giản có thể được thực hiện để minh họa tác động của vòng lặp tốc độ. Nếu
trục của động cơ bị đẩy ra khỏi vị trí lệnh mà không có vòng lặp tốc độ, sẽ có rất ít lực cản. Nếu
thêm vòng lặp tốc độ, trục động cơ sẽ quay khó khăn hơn. Với độ khuếch đại tổng thể tăng lên, hệ
thống sẽ cố gắng điều chỉnh mọi sai lệch khỏi vị trí mong muốn. Khi trục được thả ra, nó sẽ bật
trở lại vị trí lệnh. Do đó, độ khuếch đại hệ thống cao hơn mang lại độ cứng tốt. Nó cũng cải thiện
độ chính xác và khả năng lặp lại.
Trong một số ứng dụng point-to-point, tín hiệu lệnh một bước điện áp không được sử dụng. Thay
vào đó, tín hiệu lệnh bao gồm một loạt các bước điện áp gia tăng, như được thể hiện trong Hình
12. Hình dạng của nó giống như một đồ thị hình thang và được gọi là hồ sơ vị trí. Phần dốc nghiêng
của hồ sơ chỉ ra sự tăng tốc. Việc tăng tốc dừng lại khi tốc độ mong muốn đạt được. Tốc độ sẽ
giảm khi tiếp cận vị trí mong muốn. Tốc độ tăng tốc và giảm tốc thường là như nhau. Điện áp giảm
xuống bằng không khi điểm cuối đã được đạt đến. Khi các bước lệnh thay đổi, bộ truyền động theo
sau. Ưu điểm của tín hiệu hồ sơ hình thang so với tín hiệu điện áp bước là ít tạo ra căng thẳng cho
bộ truyền động vì nó có thể tăng tốc dần dần thay vì đột ngột.
Hình 12 Tín hiệu đặt hình thang nhiều bước
Điều khiển theo đường cong (Contouring)
Tín hiệu lệnh cho điều khiển theo đường cong là một loạt các bước nhỏ hơn so với tín hiệu lệnh
hình thang được cung cấp cho các servo point-to0point. Ứng dụng điều khiển theo đường cong
yêu cầu vị trí thực tế theo dõi chính xác các bước vị trí lệnh với tín hiệu lỗi tối thiểu trong suốt quá
trình di chuyển.
VII. Bộ điều khiển số (Digital Controller)
Bộ điều khiển số sử dụng các chương trình máy tính phức tạp được yêu cầu để cung cấp các tín
hiệu lệnh nhiều bước. Các hệ thống máy tính này có thể cung cấp các đặc tính điều khiển cần thiết
cho các ứng dụng tải khác nhau.
Cấu trúc phổ biến của một bộ điều khiển chuyển động số hiệu suất cao được minh họa trong Hình
13. Bộ điều khiển phân tầng này bao gồm:
+ Một vòng lặp dòng điện trong cùng cung cấp mô-men xoắn cho động cơ.
+ Một vòng lặp tốc độ bao quanh vòng lặp dòng điện để điều khiển tốc độ.
+ Một vòng lặp vị trí bao quanh vòng lặp tốc độ để giám sát vị trí của tải.
Hình 13. Điều khiển số nhiều vòng lặp cho điều khiển chuyển động hiệu suất cao
Tốc độ thực hiện các chức năng điều khiển tương ứng với cấu trúc của mạch. Ví dụ, thời gian phản
hồi nhanh nhất được thực hiện bởi chức năng vòng lặp dòng điện, sau đó là sự kiện vòng lặp tốc
độ, và cuối cùng là vòng lặp vị trí. Vòng lặp dòng điện có băng thông nhanh nhất, tiếp theo là vòng
lặp tốc độ; vòng lặp vị trí có băng thông thấp nhất.
Do đó, khi tinh chỉnh hệ thống, cần phải bắt đầu với vòng lặp trong cùng và làm việc dần ra ngoài.
1) Vòng lặp dòng điện (Current Loop)
Công suất mô-men xoắn đến phần ứng của động cơ DC được cung cấp bởi một bộ khuếch đại công
suất. Tín hiệu điều chỉnh công suất được cung cấp bởi bộ điều khiển dòng điện. Trong nhiều ứng
dụng, tốc độ động cơ phải được giữ ổn định trong các điều kiện tải thay đổi. Khi một hoạt động
yêu cầu phản hồi cực nhanh đối với thay đổi tải, một vòng lặp dòng điện trong được thêm vào hệ
thống để giữ ổn định tốc độ. Vòng lặp này bao gồm một điểm nối tổng, một bộ khuếch đại, và một
cảm biến tạo ra tín hiệu phản hồi bằng cách phát hiện dòng điện phần ứng của động cơ.
Mạch vòng lặp dòng điện trong thường được tích hợp trong bộ điều khiển động cơ DC khi động
cơ DC được sử dụng làm bộ truyền động, và trong bộ điều khiển AC khi sử dụng động cơ AC. Ví
dụ, nếu một động cơ DC bị tải, lực điện động ngược (CEMF) giảm và dòng điện phần ứng tăng.
Cảm biến dòng điện có thể là một điện trở rất nhỏ đặt nối tiếp với phần ứng. Khi dòng điện thay
đổi, điện áp tỷ lệ tương ứng cũng thay đổi, và tín hiệu này được dùng để tạo ra tín hiệu phản hồi
dòng điện. Một cảm biến dòng điện khác có thể là thiết bị hiệu ứng Hall đặt gần dây dẫn phần ứng.
Một từ trường tỷ lệ với dòng điện phần ứng xuất hiện xung quanh dây dẫn. Khi từ trường thay đổi,
cảm biến sẽ tạo ra một điện áp phản hồi tỷ lệ.
Tín hiệu phản hồi dòng điện được so sánh với tín hiệu lỗi tốc độ tại điểm nối tổng của bộ so sánh
dòng điện. Đầu ra của điểm nối dòng điện, được gọi là lỗi dòng điện, được đưa vào bộ khuếch đại
công suất để điều khiển động cơ.
Lợi thế của vòng lặp dòng điện là thời gian phản hồi nhanh. Thời gian phản hồi của hai vòng ngoài
dài hơn một chút vì chúng liên quan đến tải. Do thời gian phản hồi của vòng lặp dòng điện nhanh,
nó có thể thay thế các bộ đo tốc độ, vốn được dùng trong các ứng dụng giảm tốc nhanh.
2) Vòng lặp tốc độ (Velocity Loop)
Đối với các ứng dụng vị trí yêu cầu các đặc tính ổn định tốt, các bộ đo tốc độ thường cung cấp
phản hồi tốc độ phù hợp. Để tạo một vòng lặp servo vị trí ổn định mà không cần sử dụng bộ đo
tốc độ analog, lập trình phần mềm có thể mô phỏng hiệu ứng giảm chấn của bộ đo tốc độ. Tín hiệu
phản hồi tốc độ được cung cấp bởi một thiết bị phản hồi như bộ mã hóa gia tăng (incremental
encoder).
Tốc độ được xác định bằng cách tính toán tốc độ thay đổi của vị trí. Tốc độ thực tế được trừ đi từ
tín hiệu lỗi vị trí tại một bộ so sánh để tạo ra tín hiệu lỗi tốc độ. Tín hiệu lỗi tốc độ được đưa vào
bộ khuếch đại dòng điện dưới dạng tín hiệu lệnh dòng điện. Quá trình so sánh diễn ra tại điểm nối
của một bộ khuếch đại hoạt động tổng hợp, hoạt động như một bộ khuếch đại tỷ lệ.
3) Độ lợi tỉ lệ (Proportional Gain)
Chế độ tỷ lệ cung cấp chức năng điều khiển chính trong vòng lặp tốc độ. Cài đặt tăng cường tỷ lệ
xác định lượng mô-men xoắn được tạo ra để phản hồi tín hiệu lỗi vị trí. Bộ điều khiển vị trí chỉ sử
dụng tăng cường tỷ lệ rất phổ biến trong các ứng dụng theo đường cong (contouring). Cài đặt tăng
cường cao cung cấp độ chính xác và độ cứng cao. Trong các ứng dụng điểm-đến-điểm, cài đặt
tăng cường cao thường được mong muốn vì nó cung cấp phản hồi thoáng qua nhanh, độ chính xác
cao, khả năng lặp lại tốt, và độ cứng. Tuy nhiên, nhược điểm của tăng cường cao là nó gây ra điều
kiện không ổn định do vượt quá và dao động.
4. Độ lợi tích phân (Integral Gain)
Một loại vòng lặp điều khiển tốc độ khác thường được sử dụng là bộ điều chỉnh tỷ lệ cộng tích
phân (PI), như được minh họa trong Hình 14.
Hình 14. Bộ điều chỉnh vòng kín tỷ lệ cộng tích phân điều khiển tốc độ
Nếu một mạng điều khiển chế độ tích phân được thêm vào hệ thống, đầu ra của bộ khuếch đại sẽ
tích lũy miễn là có tín hiệu lỗi trạng thái ổn định được áp dụng vào đầu vào của nó. Cuối cùng,
biên độ đầu ra của nó trở nên đủ lớn để động cơ tạo ra mô-men xoắn cần thiết nhằm di chuyển tải
đến khoảng cách còn lại, loại bỏ lỗi trạng thái ổn định.
Khi cài đặt tăng cường của các tham số tích phân được điều chỉnh đúng cách, độ chính xác tổng
thể của định vị được cải thiện. Nó cũng cung cấp độ cứng đối với các nhiễu mô-men xoắn tải. Nếu
cài đặt tăng cường quá cao, có thể xảy ra dao động tần số thấp xung quanh vị trí lệnh. Ngoài ra,
chức năng tích phân dẫn đến thời gian ổn định dài hơn do sự dịch pha mà nó tạo ra trong hệ thống.
Để giảm sự dịch pha trong các ứng dụng điểm-đến-điểm, nơi các chuyển động rất nhanh, tăng
cường tích phân được điều chỉnh xuống mức thấp. Trong các ứng dụng theo đường cong, nơi
chuyển động chậm hơn, sự dịch pha không phải là yếu tố quan trọng. Do đó, tăng cường có thể
được điều chỉnh lên một giá trị đáng kể để cung cấp độ cứng cao trong quá trình di chuyển.
5. Vòng Điều Khiển Vị Trí
Trong các ứng dụng quỹ đạo, chế độ tỷ lệ thường được sử dụng duy nhất trong vòng điều khiển vị
trí. Khi tín hiệu lệnh tăng dần thông qua một chuỗi các bước thay đổi, nó được so sánh liên tục với
tín hiệu phản hồi vị trí bởi nút cộng của bộ khuếch đại tỷ lệ. Kết quả đầu ra mà bộ khuếch đại tạo
ra là lỗi vị trí, lỗi này trở thành tín hiệu lệnh cho vòng điều khiển tốc độ.
Khi vòng điều khiển vị trí được sử dụng cho các ứng dụng điểm-đến-điểm, nó không được thiết
kế để theo dõi các quỹ đạo. Thay vào đó, nó phải cung cấp thời gian đáp ứng nhanh, vượt quá tối
thiểu và hồ sơ vận tốc tốt. Nhìn chung, một bộ điều chỉnh điểm-đến-điểm phức tạp hơn cấu hình
chỉ dùng tăng cường tỷ lệ đơn giản được sử dụng cho chuyển động quỹ đạo.
Cấu trúc vòng điều khiển vị trí đa tầng điểm-đến-điểm được minh họa trong Hình 15 sử dụng chế
độ tỷ lệ-tích phân-đạo hàm (PID) và điều khiển dự báo (feed-forward). Mỗi chế độ và điều khiển
dự báo có các đặc điểm vận hành riêng. Khi kết hợp, chúng cung cấp hiệu suất tối đa.
Hình 15. Một vòng điều khiển vị trí point-to-point sử dụng PID và điều khiển dự báo
PID là một kỹ thuật bù tương đối tinh vi được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống servo.
Một hệ thống servo với vòng điều khiển tốc độ nội bộ tốt sẽ cung cấp nhiều lợi ích của PID. Nếu
không có vòng điều khiển tốc độ (tachometer), PID nên được cân nhắc. Luôn tốt nhất là giữ thiết
kế đơn giản và chỉ tăng độ phức tạp khi cần thiết.
Dưới đây là giải thích ngắn gọn về mục đích của từng chế độ điều khiển trong một PID với vòng
điều khiển vị trí dự báo.
5.1 Chế Độ Tỷ Lệ
Chế độ tỷ lệ là chức năng điều khiển chính. Đây là chức năng đơn giản nhất trong bốn chức năng.
Bộ khuếch đại tỷ lệ tạo ra một lệnh vận tốc tỷ lệ với lỗi vị trí. Ví dụ, vận tốc cao xảy ra khi lỗi theo
dõi (sai lệch giữa tải và tín hiệu lệnh) lớn. Bằng cách tăng cường tỷ lệ, hệ thống có thể giảm lỗi
theo dõi trong khi vẫn đạt được thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, cường độ tăng cao hơn có thể
khiến vị trí thực tế vượt quá vị trí lệnh.
5.2 Điều Khiển Dự Báo
Khi tín hiệu lệnh được đưa vào hệ thống servo vị trí, một tín hiệu lỗi được tạo ra. Tín hiệu lỗi này
dẫn đến một lệnh vận tốc tỷ lệ khiến tải di chuyển đến vị trí điểm cuối. Trong một số ứng dụng,
hoạt động của hệ thống sẽ phản hồi nhanh hơn nếu lỗi theo dõi được giảm gần bằng 0 trong suốt
quá trình di chuyển của tải. Bằng cách thêm chế độ dự báo vào hệ thống, yêu cầu này được đáp
ứng.
Dự báo vận tốc được tạo ra bằng cách thay đổi tín hiệu lệnh với việc thêm một tín hiệu tăng cường.
Tín hiệu lệnh lớn hơn khiến động cơ tăng tốc, do đó giảm thiểu lỗi theo dõi. Hình 16(a) minh họa
cách tín hiệu lệnh dự báo được phát triển.
Hình 16. Điều khiển dự báo
C: Tín hiệu đặt
FF: Tín hiệu dự báo
F: Tín hiệu phản hồi
E: Tín hiệu lỗi
Để giữ tín hiệu lỗi bằng 0, C phải bằng F, và FF phải bằng E. Vì vận tốc lệnh và độ khuếch đại đã
biết, lỗi có thể được tính toán và thêm vào lệnh để tạo ra tín hiệu lệnh đã sửa đổi, điều này sẽ khiến
C và F giống nhau. Hệ thống lý tưởng trong sơ đồ cho thấy dự báo cung cấp chính xác lệnh vận
tốc mà không cần bất kỳ tín hiệu lỗi vị trí nào. Trong thực tế, một cách tiếp cận bảo thủ được thực
hiện để đặt giá trị dự báo sao cho không đủ cao để loại bỏ hoàn toàn tín hiệu lỗi. (Nếu cài đặt độ
khuếch đại dự báo quá cao, sẽ dẫn đến vượt quá vị trí.) Do đó, một lỗi theo dõi tối thiểu vẫn tồn
tại. Để cung cấp sự ổn định, cần thiết lập đúng mức độ khuếch đại của vòng điều khiển tỷ lệ.
Một ví dụ về tác động của một lệnh vận tốc dự báo lên lỗi theo dõi vị trí khi thực hiện một chuyển
động hồ sơ vận tốc hình thang được minh họa trong Hình 16(b).
5.3 Chế Độ Đạo Hàm
Chế độ đạo hàm thực hiện một hoạt động tương tự như của bộ phản hồi vận tốc tachometer. Nhớ
rằng khi một tín hiệu lệnh đầu vào dạng bước được áp dụng, lỗi vị trí đạt giá trị cực đại. Vì tín hiệu
lỗi vị trí đạt giá trị cực đại và tachometer không di chuyển, hệ số nhân của bộ khuếch đại vị trí và
vận tốc ở mức cao nhất. Kết quả là tốc độ tăng tốc rất cao, điều này cải thiện thời gian đáp ứng
tạm thời của hệ thống.
Khi động cơ chạy ở tốc độ tối đa, phản hồi tachometer triệt tiêu tín hiệu lệnh vận tốc được tạo ra
từ lỗi vị trí. Hành động này giảm độ khuếch đại tổng thể của hệ thống và khiến tải giảm tốc. Khi
tải gần đến điểm cuối, lỗi giảm và động cơ giảm tốc, dừng lại khi đạt vị trí lệnh. Nhược điểm của
phản hồi vận tốc tachometer là hành động giảm tốc bắt đầu sớm trong quá trình di chuyển.
Bộ khuếch đại đạo hàm tinh chỉnh hệ thống bằng cách thay thế tachometer. Đầu vào của bộ khuếch
đại đạo hàm là tín hiệu phản hồi vị trí thực tế. Một hệ thống sử dụng chế độ đạo hàm yêu cầu một
tín hiệu lệnh hình thang. Khi tín hiệu lệnh được tăng lên, tín hiệu lỗi nhanh chóng tăng. Trong quá
trình tăng, đầu ra của bộ khuếch đại đạo hàm đạt giá trị cực đại và nó thêm vào đầu ra tỷ lệ để tăng
tốc động cơ. Khi tín hiệu lệnh không đổi và ở đỉnh hình thang, đạo hàm bằng 0 và chỉ đầu ra tỷ lệ
được áp dụng cho động cơ. Khi tín hiệu lệnh giảm, bộ khuếch đại đạo hàm tạo ra đầu ra cực đại
nhưng ở cực tính đối diện. Khi điện áp đạo hàm triệt tiêu điện áp tỷ lệ, động cơ giảm tốc nhanh
chóng. Tác động tổng thể của hành động đạo hàm là nó nhanh chóng tăng tốc động cơ ở đầu chuyển
động và cung cấp một hành động phanh ở cuối chuyển động.
Chế độ đạo hàm được sử dụng để giảm dao động trong hai trường hợp khác nhau. Trường hợp đầu
tiên xảy ra khi vòng tốc độ được thay thế bằng servo dòng điện. Trường hợp thứ hai xảy ra khi cần
giảm vượt quá vì độ khuếch đại tỷ lệ phải được đặt cao.
5.4 Chế Độ Tích Phân
Mục đích của chế độ tích phân là cung cấp một tín hiệu lệnh vận tốc để giảm lỗi vị trí tĩnh xuống
0 và cung cấp độ cứng cho hệ thống. Vì điều khiển tích phân được cung cấp bởi vòng tốc độ, nó
thường không được sử dụng trong vòng vị trí.
VIII. Điều chỉnh một hệ thống điều khiển servo
Khi phát triển một hệ thống điều khiển servo, cần phải điều chỉnh hệ thống để nó hoạt động hiệu
quả. Quá trình điều chỉnh bao gồm việc thay đổi các tham số độ khuếch đại của các chế độ điều
khiển khác nhau. Bằng cách thiết lập đúng các giá trị độ khuếch đại, hệ thống sẽ phù hợp với điều
kiện đặc thù của tải và có thể vượt qua các yếu tố cản trở như nhiễu tải và ma sát. Việc lựa chọn
chế độ điều khiển nào để sử dụng trong một trường hợp cụ thể phụ thuộc vào yêu cầu về đặc tính
tĩnh và động của ứng dụng.
Trong thực tế, việc điều chỉnh hệ thống hiếm khi dựa vào tính toán. Thay vào đó, kỹ thuật thử và
sai được sử dụng với động cơ được kết nối với tải thực tế hoặc tải mô phỏng. Phương pháp thực
tế là điều chỉnh độ khuếch đại, kích thích hệ thống, và sau đó quan sát phản hồi trên máy hiện sóng
hoặc máy ghi đồ thị. Mỗi tham số được điều chỉnh bằng cách bắt đầu từ giá trị thấp và tăng dần độ
khuếch đại cho đến khi đạt được phản hồi mong muốn. Việc điều chỉnh độ khuếch đại có thể thực
hiện bằng cách sử dụng chiết áp hoặc lựa chọn giá trị tham số trên menu cài đặt của phần mềm
máy tính. Đạt được độ chính xác trong các chuyển động mong muốn thường trở thành một bài
toán kết hợp nhiều giá trị khuếch đại khác nhau.
IX. Hệ thống servo Master–Slave
Master–slave là một dạng chuyển động phối hợp. Trong một số ứng dụng, cần phải đồng bộ hóa
một số trục để toàn bộ hệ thống hoạt động đúng. Cách chính xác nhất để đạt được loại điều khiển
chuyển động này là giám sát trục chính, hoặc trục master, và làm cho các trục khác phải theo trục
master. Mỗi khi người vận hành thay đổi tốc độ hoặc vị trí của trục master, mỗi trục slave sẽ duy
trì mối quan hệ của nó với trục master bằng cách thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Lịch sử cho
thấy, các bánh răng và trục truyền động được kết nối cơ học để bắt đầu, di chuyển và dừng lại một
cách chính xác, thực hiện các chuyển động yêu cầu. Những chức năng điều khiển này hiện nay
được phối hợp kỹ thuật số bởi yếu tố điều khiển của hệ thống vòng kín.
Khái niệm vận hành master–slave dựa trên một hệ thống điều khiển chuyển động vòng kín như
hình 17. Chức năng của vòng kín là làm cho đầu ra (phản hồi) theo dõi lệnh. Khi phản hồi F trùng
với lệnh C, sai số E bằng không. Hình 18 cho thấy một mạng slave vòng kín nhận tín hiệu lệnh
(C2) từ đầu ra (F1) của mạng master vòng kín. Giả sử A2 là một bộ điều khiển động cơ và truyền
động điển hình. Sai số (E2) phát sinh khiến động cơ điều chỉnh tốc độ của nó theo tỷ lệ với biên
độ sai số. Trong hệ thống này, đầu ra (F2) bị chậm hơn tín hiệu lệnh (C2) một lượng sai số theo
sau (E2) phát sinh. Sai số theo sau càng lớn, tốc độ của động cơ sẽ càng cao. Hệ thống master–
slave không hoạt động theo cách này. Thay vào đó, F2 phải theo dõi chính xác F1 của master.
Hình 17. Điều khiển chuyển động vòng kín cơ bản
Hình 18. Slave nhận tín hiệu từ phản hồi của Master
Hình 19 cho thấy cách mà hệ thống vòng kín trong hình 26-18 có thể được sửa đổi để hoạt động
như một mạng master–slave. Một mô-đun phần mềm (S) được chèn giữa F1 và C2.
Hình 19. Mạng master–slave
A2 = Một sự kết hợp điển hình của truyền động và động cơ
F1 = Đầu ra của mạng master vào mạng slave
C2 = Tín hiệu lệnh đã được sửa đổi tạo ra bởi mô-đun phần mềm
E2 = Tín hiệu sai số
F2 = Đầu ra của mạng slave
Bằng cách cung cấp cho mô-đun giá trị độ lợi đã biết của A2, các tính toán phần mềm của nó có
thể dự đoán giá trị E2 tại bất kỳ giá trị tốc độ nào do F1 cung cấp. Dữ liệu nhập vào để tính toán
trong phần mềm là độ lợi của A2 và tín hiệu đầu ra F1 từ master. Chương trình dự đoán tín hiệu
sai số sẽ phát sinh dựa trên hai giá trị đầu vào này. Bằng cách cộng tín hiệu sai số dự đoán E2 vào
F1, C2 được tăng cường để F2 trùng khớp với F1.
Một máy cuộn lại không sử dụng điều khiển master–slave được hiển thị trong hình 26-20. Mục
đích của máy là chuyển giấy từ cuộn cung cấp lớn để tạo thành các cuộn nhỏ hơn. Cuộn cung cấp
được xác định là cuộn cấp và cuộn nhỏ hơn được đánh dấu là cuộn nhận. Động cơ điều khiển cuộn
cấp chạy với tốc độ vòng quay không đổi và động cơ cuộn nhận chạy với tốc độ thay đổi. Một con
lăn căng thẳng di chuyển trên giấy và quay khi giấy đi qua dưới nó. Khi căng thẳng trên giấy thay
đổi, con lăn phản ứng bằng cách di chuyển lên nếu căng thẳng tăng, hoặc xuống nếu căng thẳng
giảm. Kết nối cơ học với con lăn là cần gạt của một biến trở. Cùng nhau, con lăn căng thẳng và
biến trở tạo thành một bộ chuyển đổi căng thẳng tạo ra một điện áp phản hồi DC tỷ lệ với căng
thẳng trên giấy.
Hình 20. Máy cuộn giấy
Giả sử rằng vào đầu quá trình cuộn lại, một lượng giấy đầy đủ được gắn trên trục của cuộn cấp và
một ống bìa cứng được đặt trên cuộn nhận. Khi quá trình cuộn lại bắt đầu, cần gạt được đặt ở đáy
của thân biến trở (P1). Vì cần gạt không cung cấp bất kỳ điện áp hủy nào vào bộ khuếch đại cộng,
động cơ cuộn nhận sẽ chạy ở tốc độ cao. Khi giấy tích tụ trên cuộn nhận, căng thẳng bắt đầu tăng.
Con lăn bắt đầu di chuyển lên, khiến cần gạt của biến trở trượt theo hướng tương tự. Khi cần gạt
di chuyển, điện áp âm mà nó cung cấp cho bộ khuếch đại cộng trở nên lớn hơn. Bằng cách hủy
một phần điện áp thiết lập điểm, điều này khiến tốc độ của động cơ cuộn nhận giảm và làm chậm
tốc độ thay đổi của căng thẳng. Lý do động cơ giảm tốc độ là để đảm bảo rằng cuộn nhận cuốn
cùng một lượng giấy mà cuộn cấp đã mở ra. Khi cuộn nhận đầy, nó sẽ được thay thế bằng một ống
trống và quá trình lại được lặp lại.
Khi cuộn cung cấp mở ra, đường kính của nó giảm. Nhược điểm của hành động này là tốc độ cho
giấy cấp bị chậm lại vì vòng quay của cuộn cấp vẫn không đổi. Một điều kiện mong muốn hơn là
khi tốc độ cấp giấy vẫn không đổi khi đường kính của cuộn cung cấp thay đổi. Một hệ thống điều
khiển tốc độ gọi là mạng master–slave (còn được gọi là master–follower) có thể thực hiện chức
năng này. Trong một mạng master–slave, nhiều động cơ và bộ điều khiển được kết nối với nhau
để thực hiện các hoạt động phối hợp.
Trong máy cuộn lại master–slave được hiển thị trong hình 21, một động cơ thực hiện các điều
chỉnh tốc độ cần thiết bằng cách theo dõi tốc độ của động cơ khác. Theo thông lệ, động cơ theo
dõi được gọi là slave và động cơ bị theo dõi được gọi là master. Trong quá trình cuộn lại, ví dụ,
người vận hành lập trình bộ điều khiển master để điều khiển động cơ cuộn lại ở một tốc độ khiến
giấy được cuốn lại với tốc độ cấp không đổi. Một tín hiệu RPM được gửi đến bộ điều khiển master
bởi một đồng hồ đo tốc độ. Bộ điều khiển sử dụng dữ liệu này để thực hiện các phép tính tỷ lệ toán
học phức tạp. Kết quả của các phép tính xác định tốc độ mà động cơ slave phải quay để mở cuộn
giấy. Thông tin này được gửi đến bộ điều khiển slave, bộ điều khiển này chuyển đổi dữ liệu thành
các tín hiệu điện thích hợp được cung cấp cho động cơ cấp giấy. Để cung cấp độ chính xác về tốc
độ và mô-men xoắn tốt hơn, một con lăn di chuyển trên giấy được kết nối với một biến trở. Điện
áp từ biến trở được sử dụng để tạo ra một tín hiệu phản hồi chỉ ra căng thẳng của giấy.
Hình 21. Mạng master–slave được sử dụng để điều khiển hai động cơ trong một máy cuộn giấy.