Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ servo harmonic RHS 32 3030

Đây là động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, momen lớn và có gắn sẵn encoder.. * Nguyên lý hoạt động: - Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn mà không phải quay

Chương 1 Khái quát chung về động cơ DC servo

Harmonic RHS 32-3030 1.1 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS 32-3030

Hình 1.1: Động cơ RHS 32-3030 trong thực tế

* Cấu tạo của động cơ servo:

Hình 1.2: Cấu tạo động cơ servo

1, Động cơ ; 2, Bản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu

5, Dây âm nguồn ; 6, Điện thế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp hành ;

9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển

Động cơ RHS 32-3018 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 gắn sẵn encoder

* Nguyên lý hoạt động:

- Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn mà không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước

* Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1

Kiểu chạy : Liên tục

Kích thích : Nam châm vĩnh cửu

Cách điện : lớp F

Điện trở cách điện : 100M Ω

Nhiệt độ môi trường : -10 ~ +40oC

Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60 oC

Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ )

Độ rung : 2.5g (5 ~ 400HZ)

Shock : 30g (11ms)

Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-1A)

Đầu ra : Mặt bích

Chương 2 Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ Servo

Harmonic RHS 32-3030 2.1 Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS 32-3030

Các tham số cơ bản của động cơ như sau:

Ra = 0.4 La = 0.86mH

Kt = 26.6 Nm/A ; Kb = 1.08 V/rpm

Bf = 0.073

J = 12

Ta có :

u a - e a = i a R a + L a d i a

dt

d ω

dt = 1J (M đc - M c¿

M đc = Kt.i a

e a= Kb.n

Chuyển sang Laplace ta được:

U a - E a = I a R a + L a.I a.s U a - E a = I a R a + L a.I a.s s.𝜔 = 1J (M đc- M c) 𝜔 = J s1 (M đc- M c)

M đc = K t.I a M đc = K t.I a

E a = K b n E a = K b n

Với T a= L a

R a ta có:

I a =

1

R a

1+T a s

(U a - E a)

𝜔 = J s1 (M đc- M c )

M đc = K t.I a

E a = K b n

Cấu trúc động cơ như sau:

Hình 2.1: Cấu trúc động cơ RHS 32-3030

2.2 Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực

Mô hình mô phỏng trên Simulink:

Hình 2.2: Mô hình mô phỏng động cơ RHS 14-6003

2.2.1 Khảo sát động cơ trên miền liên tục

Kết quả mô phỏng :

 Đặc tính quá độ tốc độ và dòng của động cơ khi không tải:

Hình 2.3: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo harmonic RHS 32-3030

Hình 2.4: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 32-3030

2.2.2 Khảo sát động cơ trên miền gián đoạn :

>> G1=Tf(1,[0.00084 0.4])

Transfer function:

1

-0.00084 s + 0.4

>> G2=26.6

26.6000

>> G3=Tf(1,[12 0.073])

Transfer function:

1

-12 s + 0.073

>> G1=Tf(1,[0.00084 0.4])

Transfer function:

1

-0.00084 s + 0.4

>> G2=26.6

G2 =

26.6000

>> G3=Tf(1,[12 0.073])

Transfer function:

1

-12 s + 0.073

>> G4=1.08

G4 =

1.0800

>> G0=G1*G2*G3

Transfer function:

26.6

-0.01008 s^2 + 4.8 s + 0.0292

>> Gk= feedback(G0,G4)

Transfer function:

-0.01008 s^2 + 4.8 s + 28.76

>> Gz=c2d(Gk,0.001,'zoh')

Transfer function:

0.001132 z + 0.0009665

-z^2 - 1.619 z + 0.6211

Sampling time: 0.001

>> step(Gz)

Hình 2.5 : Tốc độ động cơ trên miền gián đoạn

2.2.3 Xây dựng bộ điều khiển theo phương pháp xấp xỉ liên tục

a, Xây dựng bộ PI :

-Tìm hàm truyền kín của RHS 32-3030 là gk

-Trong cửa sổ lệnh của Matlab gõ lệnh Rltool

- File- Import- gk- Respone to step Command để quan sát đáp ứng

- Thiết kế bộ điều khiển bằng cách vào Automated tuning- PID turning Thay đổi Band width và Phase Margin sau đó ấn Update Compenrator

Ta được đáp ứng như sau :

Hình 2.6 Hệ tọa độ cực của hệ thống trên SISO design

Hình 2.7 : Đáp ứng đầu ra của hệ thống trên SISO design

Bộ điều khiển tốc độ trên miền liên tục :

C=52.686∗ 1+0.019 s

s

C=

Zero/pole/gain from input "Input" to output "Output":

0.99377 (s+53.02)

s

Sampling time: 0.001

2.3 Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục

Ta chọn bộ điều khiển có dạng PI, luật điều khiển được mô tả bởi công thức:

 

1

0

1 ( ) R ( )

c

KR: Hệ số tỉ lệ

Tc: Hằng số thời gian chậm sau

Để thiết kế trên miền thời gian xấp xỉ liên tục ta xấp xỉ thành phần I theo các phương pháp sau:

* Sử dụng phương pháp hình chữ nhật: xấp xỉ thành phần I

1

k

i I

T



1 1 1

i I

T

T







(T I T K C / R)

Trừ vế với vế và chuyển vế đổi dấu ta có:

I

T

I

T

T

  1

1

( ) I 1







1

1

R I

T z











* Sử dụng phương pháp hình thang:

   1

1

1 2

k

i I

T





   

1

1 1

1 1

2

k

i I

T

T









( TI  TC / KR)

1 1

2

I

T

1 1

I

T

2

I

T

T

1

1 ( ) 2 I 1









 1 1

1

1

2 1

R

I













Chương 3

3.1 Tổng hợp bộ điều khiển

3.1.1Thiết kế bộ điều khiển trên miền thời gian liên tục

Để điều khiển tốc độ động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống hai vòng điều chỉnh Tuy nhiên động cơ DC servo harmonic RHS 32-3030 là loại động cơ

cỡ nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng

Hình 3.1: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Hình 3.2: Đáp ứng tốc độ

Hình 3.3: Đáp ứng dòng điện

3.1.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục

Ta có bộ điều khiển PI trên miền thời gian liên tục có dạng:

1,001+

52.686

s

Với:

KR = 1,001 ; TC = 52,686

Ta chọn thời gian T = 0.001s

* Áp dụng phương pháp hình chữ nhật ta có:

1

1

R I

T z











TI = T C

K R = 52,6861.001 = 52,633

→ R ( z-1 ) = 1,001 + 52,6330.001 * Z−1

1−Z−1

 1 1

1

1

2 1

R

I













→ R ( z-1 ) = 1,001 + 2∗52,6330.001 * 1+Z−1

1−Z−1

3.2 Kết quả mô phỏng

a Phương pháp hình chữ nhật

Ta có:

→ R ( z-1 ) = 1,001 + 52,6330.001 * Z−1

1−Z−1

Mô hình trên Simulink:

Hình 3.4: Mô hình xấp xỉ theo phương pháp hình chữ nhật

Hình 3.5: kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện

Hình 3.6: kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ

b Phương pháp hình thang

Ta có:

→ R ( z-1 ) = 1,001 + 2∗52,6330.001 * 1+Z−1

1−Z−1

Mô hình trên Simulink:

Hình 3.7: Mô hình xấp xỉ theo phương pháp hình thang

Hình 3.8: Kết quả mô

phỏng đáp ứng dòng

điện

Hình 3.9: Kết quả mô

phỏng đáp ứng tốc độ

3.3 Nhận xét và kết

luận:

Các kết quả mô

phỏng cho thấy đáp

ứng ra trên miền số tương tự như đáp ứng ra trên miền liên tục 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 Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng lựa chọn được chu kì trích mẫu nhỏ, điều này phụ thuộc vào năng lực tính toán của thiết bị, các tài nguyên hỗ trợ cũng như bản thân hệ thống cần điều khiển

Tài liệu tham khảo:

[1] Điều khiển số (Digital control) – Nguyễn Phùng Quang, bài giảng cho sinh viên đại học Bách Khoa Hà Nội,2007

[2] Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nguyễn Phùng Quang, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,2006