Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 17 6006

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 17 6006 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 Khái quát chung về động cơ DC Servo Harmonic RHS 17 6006 4.

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG

Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC

Servo Harmonic RHS 17-6006

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: Khái quát chung về động cơ DC Servo Harmonic RHS 17-6006 4

1.1 Giới thiệu động cơ DC Servo Harmonic RHS 17-6006 4

1.1.1 Tổng quan 4

1.1.2 Cấu tạo động cơ Servo 5

1.1.3 Nguyên lý hoạt động 5

1.1.4 Ứng dụng của động cơ DC Servo Harmonic RHS 17-6006 7

CHƯƠNG 2 Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic RHS17-6006.8 2.1 Mô tả đối tượng điều khiển 8

2.2 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục 9

2.2.1 Khái báo biến 9

2.2.2 Khảo sát động học 9

2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định của hệ thống 14 2.3.1 Khảo sát với chu kì trích mẫu T = 0.01 đến tính ổn định của hệ thống .14 2.3.2 Khảo sát với chu kì trích mẫu T = 0.001 đến tính ổn định của hệ thống 15 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 17-6006 17

3.1 Tiêu chuẩn thiết kế và kết quả mô phỏng trên miền thời gian liên tục và trên miền thời gian gián đoạn 17

3.1.1 Dòng điện 20

3.1.2 Tốc độ 21

3.2 Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục, thiết kế trên miền thời gian gián đoạn và kết quả mô phỏng trên miền thời gian gián đoạn 22

3.2.1 Dòng điện 23

3.2.2 Tốc độ 24

KẾT LUẬN 25

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt, đặcbiệt là sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới, nó ảnh hưởng đến hầu hết các vấn đề của xã hội và trong công nghiệp cũng vậy Hòa cùng

sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vi sử lý mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và sử lý đữ liệu Những hạn chế của

kỹ thuật tương tự như sự trổi thông số, sự làm việc cố định dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đã thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số Ngoài ra điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng,cho phép tiêu chuẩn hóa Với cùng một bộ vi sử lý, một cấu trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau Tuy nhiên kỹ thuật số cũng có những nhược điểm như sử lý các tín hiệu rời rạc, đồng thời tín hiệu tương tự có những ưu điểm

mà kỹ thuật số không có như tác động nhanh và liên tục Vì vậy xu hướng điều khiển hiện nay là phối hợp cả điều khiển số và điều khiển tương tự

Để lắm vững những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu là cần thiết đối với

sinh viên Vì vậy nhóm em được giao đề tài bài tập lớn “Thiết kế xấp xỉ khâu

điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 17-6006.” Qua bài tập lớn

đã giúp chúng em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới

sự hướng dẫn của thầy … chúng em đã thực hiện xong bài tập này Do kiến thức còn hạn chế nên bài tập còn có nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận được sự bổ sung của thầy

CHƯƠNG 1: Khái quát chung về động cơ DC Servo Harmonic RHS

ta đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động DC servo motor là động cơ DC có bộ điều khiển hồi tiếp

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay,vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động

cơ đạt được điểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay, ô tô Ứng dụng mới nhất cho động cơ servo là dùng trong Robot, cùng loại vớicác động cơ dùng trong mô hình máy bay và ô tô

1.1.2 Cấu tạo động cơ Servo

Động cơ Servo Motor có chổi than: loại động cơ này sẽ bao gồm 4 bộ phận

chính đó là: stato, rotor, chổi than và cuộn cảm lõi Động cơ RHS 17-6006 là động

cơ một chiều do hãng Harmonic của Nhật sản xuất Đây là động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, momen lớn và có sẵn encoder

Hình 1.2: Cấu tạo động cơ servo

1.1.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của Servo DC dựa trên cấu tạo của bốn thành phần chính Đó là động cơ DC, thiết bị cảm biến vị trí, cụm bánh răng và mạch điều khiển

Tốc độ của động cơ Servo DC dựa trên điện áp được sử dụng

Để điều khiển tốc độ động cơ, thường sử dụng 1 chiết áp để tạo ra điện áp tương ứng

Trong một số mạch thì xung điều khiển được sử dụng để tạo ra điện áp tham chiếu DC tương ứng với một vị trí hoặc tốc độ mong muốn của động cơ Và

nó sẽ được áp dụng cho bộ chuyển đổi điện áp độ rộng xung

Độ dài của xung quyết định đến điện áp đặt tại bộ khuếch đại Điều đó để tạo ra một điện áp tương đương với tốc độ hoặc vị trí mong muốn

Đối với điều khiển kỹ thuật số, PLC hoặc là bộ điều khiển chuyển động khácđược sử dụng để tạo xung theo chu kỳ nhiệm vụ nhằm mục đích xây dựng nên những quy trình điều khiển chính xác hơn

1.1.4 Ứng dụng của động cơ DC Servo Harmonic RHS 17-6006

- Có rất nhiều máy móc sử dụng động cơ DC servo để hoạt động Cụ thể động cơ

DC servo có thể ứng dụng trong ngành điện - điện tử (ví dụ như lắp các chip LSI trên bảng mạch) Tuy nhiên, hiện nay động cơ DC servo rất hạn chế trong ứng dụng ngành điện - điện tử mà thay vào đó động cơ có ứng dụng chủ yếu trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống và ứng dụng trong ngành giấy, may mặc, bao

bì

- Ngoài ra động cơ DC servo còn có một số ứng dụng khác như:

 Ứng dụng điều khiển Robot

 Hệ thống máy CNC

 Ứng dụng máy khẩu trang

 Hệ thống dao cắt bay, cắt quay

 Hệ thống máy cắt túi nilon

 Hệ thống máy đóng gói

 Ứng dụng máy in

CHƯƠNG 2 Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic

RHS17-6006

2.1 Mô tả đối tượng điều khiển

* Các tham số cơ bản của động cơ như sau:

Rư = 4.8 (Lư = 2.3 (mH)

Kt = 9.6 (Nm/A) ; Kb = 1.0 (V/rpm)

J = 0.089 (Kg.m2) ; Bf = 0.054 (Nm/rpm)

I = 1.7 (A); Mc = 9.8 (Nm); ω = 3000 (rpm)

* Sơ đồ cấu trúc động cơ như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc động cơ RHS 17-6006

2.2 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục

2.2.1 Khái báo biến

Hình 2.2: Khai báo biến

2.2.2 Khảo sát động học

- Ta thực hiện khảo sát động học trên miền thời gian thực của Simulink:

Hình 2.3: Sơ đồ mạch vòng

* Trường hợp 1: Khi không có momen cản khi đó ta thu được kết quả đồ thị của dòng điện và tốc độ như sau:

Hình 2.4: Đồ thị dòng điện khi không có momen cản

- Trị số của dòng điện khi ở trạng thái ổn định (0.5A < 1.7A) là do chưa có momencản

Hình 2.5: Đồ thị biểu thị tốc độ động cơ khi không có momen cản

- Ta thấy tốc độ khởi động tăng dần và đi vào xác lập sau khoảng 0.3s là 5800 vòng tương ứng với thời gian dòng khởi động đi vào ổn định

- Trị số tốc độ khi vào trạng thái xác lập nhỏ hơn nhiều so với tốc độ nhà sản xuất đưa ra (5800rpm>3000rpm)

* Trường hợp 2: Khi momen cản Mc = 9.8 (giá trị khảo sát)

Hình 2.6: Đồ thị dòng điện khi có momen cản

- Ta thấy trước khi có tác động của momen cản (0s – 1s) đồ thị dòng điện giống như trường hợp 1, nhưng sau khi có sự tác động momen cản (1s - ∞) thì trị số dòngđiện tăng lên và đi vào xác lập ở 1.5A

- Khi đưa momen cản theo trị số khảo sát vào ta thấy gần đạt tới trị số xác lập của dòng điện là 1.5A ≈ 1.7A mà nhà sản xuất đưa ra

- Vì phải chịu kéo tải nên tốc độ giảm so với khi mới khởi động (0s – 1s)

=> Như vậy ta có thể kết luận trên miền thời gian liên tục thì các thông số của động cơ tra được trên tài liệu không sát với thực tế

2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định của hệ thống

Ta thực hiện khảo sát trên cửa sổ lập trình (Command Window) của Matlabs=tf(‘s’)

Hình 2.8: Đồ thị đặc tính tốc độ trên miền Z với T = 0.01s

- Ta thấy trên miền z (miền rời rạc) thì đồ thị có dạng tổng quan giống như miền thời gian liên tục và xác lập ở 74rpm

- Tuy khá giống về đặc tính so với miền liên tục nhưng do ảnh hưởng bởi chu kì trích mẫu nên dạng đường cong có dạng bậc thang

2.3.2 Khảo sát với chu kì trích mẫu T = 0.001 đến tính ổn định của hệ thống

T=0.001

Gz=c2d(Gs,0.001,’zoh’)

Step(75*Gz)

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

DC SERVO HARMONIC RHS 17-6006

3.1 Tiêu chuẩn thiết kế và kết quả mô phỏng trên miền thời gian liên tục và trên miền thời gian gián đoạn

* Sử dụng công cụ Tune trong MATLAB-SIMULINK:

Hình 3.1: Giao diện Tune

Hình 3.2: Sơ đồ mạch vòng thêm bộ PID

Sau khi dùng Tune thì bọn em ra được bộ PID có thông số như sau:P: 0.4381

I: 19.11

Hình 3.3: Cài đặt thông số PID

* Thực hiện mô phỏng:

3.1.1 Dòng điện

Hình 3.4: Mô phỏng dòng điện khi có bộ PID liên tục

- Trong khoảng 0-1s: Dòng điện tăng cao lên 4,5 A

- Sau 1s: Có sự xuất hiện của Mc thì dòng điện lên tới 1.3A rồi đi vào ổn định ở 1.1A

* Nhận xét: Có sự tác động của bộ điều khiển mà dòng điện đáp ứng giá trị xác lập

nhanh hơn rất nhiều

3.1.2 Tốc độ

Hình 3.5: Mô phỏng tốc độ khi có bộ PID liên tục

- Từ 0-1s: Tốc độ tăng lên gần 1300 rpm rồi giảm về giá trị đặt 1200 rpm trong 0.1s

- Sau 1s: Có sự xuất hiện của Mc thì tốc độ giảm xuống 1100rpm rồi lại nhanh chóng tăng về giá trị đặt 1200rpm trong 0.1s

* Nhận xét: Bộ điều khiển đã tác động và điều khiển tốc độ động cơ duy trì ở giá

trị đặt 1200rpm, ngay cả khi có momen cản thì tốc độ cũng nhanh chóng được trở

về tốc độ đặt

3.2 Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục, thiết kế trên miền thời gian gián đoạn và kết quả mô phỏng trên miền thời gian gián đoạn.

* Tính toán tham số bộ điều khiển PID số:

* Mô phỏng trên Matlab:

Hình 3.6: Sơ đồ mạch vòng khi có bộ điều khiển số

3.2.1 Dòng điện

Hình 3.7: Mô phỏng dòng điện khi có bộ điều khiển số

- Trong khoảng 0-1s: Dòng điện tăng cao lên 4.4A

- Sau 1s: Có sự xuất hiện của Mc=9.8Nm thì dòng điện lên tới 1.5A rồi đi vào ổn định ở 1.1A

3.2.2 Tốc độ

Hình 3.8: Mô phỏng tốc độ khi có bộ điều khiển số

- Trong khoảng 0-1s: Tốc độ tăng lên đến 1450rpm

- Sau 1s: Có sự xuất hiện của Mc=9.8Nm thì tốc độ giảm dần rồi lại nhanh chóng

về giá trị đặt 1200rpm trong 0.1s

KẾT LUẬN

Qua bài tập lớn này giúp chúng em hiểu rõ hơn về cấu tạo động cơ Servo

DC các dòng khác nhau, đặc biệt là dòng RHS-17-6006 cũng như cách thiết kế điều khiển tốc độ trên Matlab và mô phỏng

Nhờ sự hướng dẫn của thầy bọn em cũng có được những kết quả nhất định như:

- Các kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng ra của bộ điều khiển trên miền liên tục như đáp ứng ra của bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục

- Khẳng định thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục là hoàn toàn đúng và chính xác

* Nhận xét:

Các kết quả mô phỏng cho cho thấy thông số nhà sản xuất đưa ra là tương đối ổn, cũng sẽ có sai lệch nhưng là không đáng kể, điều này khẳng định thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển số là hoàn toàn đúng đắn và chính xác Kết quả cũng cho thấy việc chọn chu kì trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển của hệ thống Chu kì trích mẫu khác nhau sẽ cho ra các đáp ứng khác nhau Chu kì trích mẫu càng nhỏ cho phép ta thiết kế được các bộ điều khiển có chất lượng càng cao