Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RH 11D-3001

YÊU CẦU THIẾT KẾNội dung: Xây dựng chương trình mô phỏng trên Matlab – Simulink để kiểmnghiệm các kết quả đạt được trên miền thời gian liên tục và trên miền thời gian giánđoạn.. - Khảo s

YÊU CẦU THIẾT KẾNội dung: Xây dựng chương trình mô phỏng trên Matlab – Simulink để kiểm

nghiệm các kết quả đạt được trên miền thời gian liên tục và trên miền thời gian giánđoạn

Nhiệm vụ của sinh viên:

- Mô tả đối tượng điều khiển

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

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

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

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

- So sánh chất lượng điều khiển và kết luận

- Kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm (nếu có)

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC YÊU CẦU THIẾT KẾ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVOHARMONIC RH 11D-3001 2

1.1 Giới thiệu động cơ Servo 2

1.2 Thông số động cơ DC Servo Harmonic RH 11D - 3001 3

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ 6

2.1 Mô tả đối tượng điều khiển 6

2.2 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục 8

2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định của hệ thống13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 19

3.1 Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền thời gian liên tục 19

3.2 Thiết kế bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục 23

Kết luận 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo 3

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế động cơ Server 3

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ DC servo 7 Hình 2.2 Cấu trúc động cơ DC Servo Harmonic RH 11D-3001 7

Hình 2.3 Khai báo thông số cơ bản của động cơ 8

Hình 2.4 Đường đặc tính tốc độ tại điện áp 24V 8

Hình 2.5 Đường đặc tính dòng điện tại điện áp 24V 9

Hình 2.6 Hình mô phỏng mạch vòng tốc độ và dòng điện động cơ 9

Hình 2.7 Dòng điện không tải trước và sau khi xác lập 10

Hình 2.8 Tốc độ động cơ khi Mc=0 10

Hình 2.9 Tốc độ động cơ khi Mc=3,9 11

Hình 2.10 Dòng điện khi có tải 11

Hình 2.11 Các hàm truyền đối tượng G1,G2,G3,G4 13

Hình 2.12 Hàm truyền đối tượng G5,G0,Gk,GKs 14

Hình 2.13 Hàm Gksz tại T = 1s 15

Hình 2.14 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 1s 15

Hình 2.15 Hàm Gksz tại T = 0.01s 16

Hình 2.16 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 0.01s 16

Hình 2.17 Hàm Gksz tại T = 0.001s 17

Hình 2.18 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 0.001s 17

Hình 3.1 Mô phỏng thiết kế bộ điều khiển PID 19 Hình 3.2 Điều chỉnh đường đặc tính trong PID Tuner 19

Hình 3.3 Dòng điện động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 0 20

Hình 3.4 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 0 21

Hình 3.5 Dòng điện động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9 22

Hình 3.6 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9 22

Hình 3.7 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9 23

Hình 3.8 Bộ điều khiển số khi T=0.001 24

Hình 3.9 Dòng điện động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.001 25

Hình 3.10 Tốc độ động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.001 25

Hình 3.11 Bộ điều khiển số khi T=0.01 26

Hình 3.12 Dòng điện động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.01 27

Hình 3.13 Tốc độ động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.01 27

Hình 3.14 Dòng điện của động cơ khi Mc=3,9 28

Hình 3.15 Tốc độ động cơ khi Mc=3,9 28

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật động cơ 4

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC

SERVOHARMONIC RH 11D-30011.1 Giới thiệu động cơ Servo

1.1.1 Tổng quan

Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bảnnhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được dùngnhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot) Điều khiển được DC Motor là

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, vậntốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăncản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạtđược vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạtđược điểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiềumáy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máybay, 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

DC 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

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo

1.1.3 Hình ảnh thực tế động cơ Server

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế động cơ Server

1.2 Thông số động cơ DC Servo Harmonic RH 11D - 3001.

Động cơ DC Servo Harmonic là loại động cơ bước nhỏ, được sử dụng trongcông nghiệp, khả năng điều khiển chuyển động và momen xoắn với độ chính xáccao Động cơ có hộp số cho momen xoắn cao, độ cứng xoắn cao và hiệu suất cao

Do đó mà nó được sử dụng trong các robot công nghiệp và tự động hóa

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật động cơ

Nm/rpm 5.2*10−1

Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.62

Nm/rpm 0.017

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Mô tả đối tượng điều khiển

Các tham số cơ bản của động cơ DC Servo Harmonic RH 11D – 3001:

Ta có:

Chuyển sang miền ảnh Laplace:

Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ nhưsau:

Hình 2.1 Cấu trúc động cơ DC servo

Thay các thông số của động cơ ta được mô hình động cơ:

Hình 2.2 Cấu trúc động cơ DC Servo Harmonic RH 11D-3001

Hình 2.4 Đường đặc tính tốc độ tại điện áp 24V

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

Nhận xét: Nếu cấp điện áp 24V cho động cơ tốc độ động cơ sẽ tăng dần lên

từ 0 đến tốc độ 4650 vòng/phút, trong khoảng thời gian xác lập 0,55s đạt tốc độ tốiđa

Nhận xét: Nếu cấp điện áp 24V cho động cơ dòng điện sẽ tăng dần lên từ 0đến khoảng 5 (A) đạt giá trị của dòng khởi động, sau đó dòng điện giảm dần Thờigian xác lập tại thời điểm 1,2s đạt dòng điện ở chế độ không tải khoảng 0,3(A)

Hình 2.6 Hình mô phỏng mạch vòng tốc độ và dòng điện động cơ

Hình 2.5 Đường đặc tính dòng điện tại điện áp 24V

- Trường hợp 1: Khi Mc = 0, với T = 5s

Hình 2.7 Tốc độ động cơ khi Mc=0

Hình 2.8 Dòng điện không tải trước và sau khi xác lập

- Trường hợp 2: Khi Mc = 3,9 (giá trị khảo sát) tại t = 1s, T = 5s

Nhận xét:

Hình 2.10 Dòng điện khi có tải Hình 2.9 Tốc độ động cơ khi Mc=3,9

+ Thời gian xác lập của động cơ nhanh khoảng 0,55(s) ở cả 2 chế độ không tải và có tải.

+ Dòng điện và tốc độ đều thay đổi khi có tải, tại thời điểm 1s tốc độ giảm xuống và dòng điện tăng lên 0,93A

+ Dòng khởi động lớn hơn nhiều so với dòng định mức

+ Khi gặp mômen cản Mc = 3,9 thì tốc độ động cơ giảm từ 4650rpm xuống 3925rpm

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

2.2.1 Tính toán hàm truyền trên Matlab

Hình 2.12 Hàm truyền đối tượng G5,G0,Gk,GKs

2.2.2 Mô phỏng ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu

- Với chu kỳ trích mẫu T = 1s

Hình 2.13 Hàm Gksz tại T = 1s

Hình 2.14 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 1s

- Với chu kì trích mẫu T = 0,01s

Hình 2.15 Hàm Gksz tại T = 0.01s

Hình 2.16 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 0.01s

- Với chu kì trích mẫu T = 0,001s

Hình 2.17 Hàm Gksz tại T = 0.001s

Hình 2.18 Tốc độ của chu kỳ trích mẫu tại T = 0.001s

- Nhận xét:

+ Tốc độ của cả 2 chu kỳ trích mẫu tăng từ 0 đến 4650 (rpm)

+ Với chu kỳ trích mẫu T=0.01s, ta thấy đáp ứng đầu ra dao động nhiều, không ổn định

+ Với chu kỳ trích mẫu T=0.001s, ta thấy đáp ứng đầu ra dao động ít, ổn định và hơn gần như liên tục

+ Chu kỳ trích mẫu càng nhỏ xây dựng được mô hình đối tượng càng chính xác

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC

3.1 Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền thời gian liên tục

Hình 3.1 Mô phỏng thiết kế bộ điều khiển PID

Hình 3.2 Điều chỉnh đường đặc tính trong PID Tuner

 Khi đặt Mc = 0

Hình 3.3 Dòng điện động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 0

Hình 3.4 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 0

Nhận xét:

- Khi chưa có mômen cản tốc độ động cơ mất 0,5s để đạt giá trị đặt

- Không có độ quá điều chỉnh

 Khi đặt Mc = 3,9

Hình 3.5 Dòng điện động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9

Hình 3.6 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9

Hình 3.7 Tốc độ động cơ sử dụng bộ PID khi Mc = 3,9

Nhận xét:

- Khi gặp mômen cản tốc độ động cơ bị giảm xuống và bám trở lại tốc độ xáclập sau khoảng 0.5s

- Bộ điều khiển PI đáp ứng tốt chất lượng quá trình điều khiển

3.2 Thiết kế bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục

Giả sử xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần Dbậc 1:

Vậy:

Với:

 Chọn T = 0,001s:

Hình 3.8 Bộ điều khiển số khi T=0.001

Hình 3.9 Dòng điện động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.001

Hình 3.10 Tốc độ động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.001

Nhận xét:

- Thời gian xác lập nhanh 0.5s

- Dòng điện và tốc độ ra đúng với tốc độ và dòng điện khi sử dụng PID

 Chọn T = 0,01s:

Hình 3.11 Bộ điều khiển số khi T=0.01

Hình 3.12 Dòng điện động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.01

Hình 3.13 Tốc độ động cơ sử dụng bộ ĐKS tại T=0.01

Nhận xét:

- Thời gian xác lập nhanh 0.5s

- Dòng điện và tốc độ ra đúng với tốc độ và dòng điện khi sử dụng PIDKhi xuất hiện mômen cản Mc = 3,9 tại t = 2s

Hình 3.14 Dòng điện của động cơ khi Mc=3,9

Hình 3.15 Tốc độ động cơ khi Mc=3,9

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG – TS Nguyễn Khắc Khiêm, TS.Phạm Tuấn Anh – nhà xuất bản hàng hải, 2018

[2] Harmonic drive actuator - Precision Gearing & Motion Control DC ServoSystem-RH Mini Series