Thiết kế bộ điều khiển số sử dụng phương pháp gán điểm cực điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic R113001

Thiết kế bộ điều khiển số sử dụng phương pháp gán điểm cực điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic R113001 Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R113001 Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic R113001 Chương 3. Mô phỏng hệ thống trên MatlabSimulink Chương 4. Thực thi bộ điều khiển trên vi điều khiển Atmega16

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN SỐ

Đề 11: Thiết kế bộ điều khiển số sử dụng

phương pháp gán điểm cực điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic R11-3001

MỤC LỤC

Chương 1 Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R11-3001

1.1 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic R11-3001

1.2 Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic R11-3001

Chương 2 Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic R11-3001

2.1 Xây dựng đối tượng điều khiển

2.2 Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic R11-3001

Chương 3 Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink

3.1 Sơ đồ mô phỏng và kết quả

3.2 Nhận xét và kết luận

Chương 4 Thực thi bộ điều khiển trên vi điều khiển Atmega16

4.1 Thực thi bộ điều khiển

4.2 Thuật toán

4.3 Cấu trúc bộ điều khiển số và chương trình

Hải phòng ngày 16/12/2019

NGUYỄN VĂN TIẾN

Chương 1 Khái quát chung về động cơ DC servo

Harmonic RHS14-6003 1.1 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RH-11D 3001

Hình 1.1: Động cơ RH-11D 3001trong 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 RH-11D 3001 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

Bảng 1.1: Thông số động cơ RH-11D 3001

3001

Hằng số điện B.E.M.F (ảnh

hưởng của tốc độ đến sđđ phần

ứng)(Kb)

Mô men quán tính (J) In-lb –sec2 0.38

1.2 Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003

Các tham số cơ bản của động cơ như sau:

Ra = 4.7 (Ω), La = 1.6 (mH)

Kt = 4.91 (Nm/A); Kb = 0.5 (V/rpm)

Bf = 1.7*10-2J = 0.0043

Ta có:

ua – ea = ia.Ra +La = (Mđc – Mc)

Mđc= Kt.ia

ea = Kb.n

Chuyển sang Laplace ta được:

- = + s - = + s

s.𝜔 = ( - ) 𝜔 = ( - )

= =

= .n = .n

Với Ta = ta có:

Ia = (Ua – Ea)

 = (Mđc – Mc)

Mđc = Kt.Ia

Ea = Kb.n

Cấu trúc động cơ như sau:

Hình 1.3: Cấu trúc động cơ RH-11D 3001

Mô phỏng trên matlab:

Hình 1.4: Mô hình động cơ trên matlab

Chương 2 Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo

Harmonic RHS14-6003 2.1 Xây dựng đội tượng điều khiển

Mô hình mô phỏng trên Simulink:

Hình 2.1 Mô hình toán của dối tượng cần tổng hợp bđk

Để tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp gán điểm cực nhập tham số trên matlab workspace như sau:

Ra=4.7

La=1.6.10^-3

kt=4.91

ke=0.5

bf=0.017

J=43e-3

Ta=La/Ra

s=tf(‘s’)

G1 = 1/(J*s+bf)

G2=(1/Ra)/((La/Ra)*s+1)

G4=ke

Gh=g1*g2*g3

Gs=Gh/(1+Gh*G4)

Gz=c2d(Gs,0.01,’zoh’)

Step(Gz)

bbd=(2.4)/(10^-4*s+1)

Gs2=Gs*bbd*(10/3000)/(10^-3*s+1))*100

Gz2=c2d(Gs2,0.01,’zoh’)

Rltool(gz2)

2.2 Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic R11-3001

Sau khi chạy mfile ta được:

Với điều kiện động cơ đạt trạng thái xác lập ở 0.7s ta tìm được bộ điều khiển như sau:

GR(z ) =

Chương 3: Mô phỏng trên matlab 3.1 Sơ đồ mô phỏng

a Sơ đồ mô phỏng động cơ khi chưa có bộ điều khiển

Hình 3.1 Mô hình động cơ trên simulink Khi chưa có tải và điện áp đặt là 24v:

Đặc tính tốc độ động cơ

Hình 3.2 Tốc độ ra của động cơ khi không tải

Đặc tính dòng điện không tải

Hình 3.3 Dòng không tải của động cơ Khi có tải Mc=9N/m và điện áp đặt là 24v:

Đặc tính tốc độ ra khi có tải

Hình 3.4 Tốc độ động cơ khi có tải

Đặc tính dòng điện động cơ khi có tải

Hình 3.5 Đặc tính dòng điện của đông cơ khi có tải

b Mô hình bộ điều khiển tốc độ động cơ servo

Hình 3.6 Mô hình bộ điều khiển số điều khiển tốc độ động cơ servo Đặc tính động cơ khi không tải với U=10v:

Đặc tính tốc độ:

Hình 3.7 Đặc tính tốc độ ra của động cơ khi có bđk

Đặc tính dòng điện phần ứng:

Hình 3.8 Đặc tính dòng phần ứng khi không tải và có bộ điều khiển Đặc tính động cơ khi có bộ điều khiển và Mc=9N/m

Hình 3.9 Đặc tính tốc độ của động cơ khi có tải

Đặc tính dòng phần ứng khi có tải Mc=9N/m

Hình 3.10 Đặc tính dòng phần ứng động cơ khi có tải

3.2 Nhận xét và kết luận

Khi chưa có tải: - Khi không có bộ điều khiển thì dòng điện phần ứng

tăng mạnh giai đoạn đầu và gần bằng 2.5Idm còn khi có bộ điều khiển thì dòng điện phần ứng giai đoạn đầu giảm mạnh (1A)

- Khi có bộ điều khiển động cơ chạy đúng với giá trị tốc độ đặt trước đó

Khi có tải: - Khi không có bộ điều khiển thì động cơ bị sụt tốc mạnh

và không thể đạt được tốc độ định mức Khi có bộ điều khiển thì động

cơ bị sụt tốc một khoảng nhỏ trong 0.5s rồi sau đó tăng lên giá trị tốc

độ đặt

KẾT LUẬN: Bộ điều khiển đã điều khiển được tốc độ động cơ theo

giá trị đặt trước và thỏa mãn yêu cầu đề ra

Chương 4: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển

atmega16 4.1 Thực thi bộ điều khiển số

Bộ điều khiển tổng hợp được R(z)=

Áp dụng cấu trúc trực tiếp dạng chính tắt:

Cấu trúc thực thi bộ đks theo dạng chính tắt:

Hình 4.1 Bộ điều khiển số theo dạng chính tắt

4.2 Thuật toán

Thuật toán chương trình chính

rk = ek + rk-1

uk = 0.01rk – 0.05rk-2

Bắt đầu

Khởi tạo ADC Khơi tạo I/O

Khơi tạo Timer ngắt sau 10ms

Khai báo biến sk,yk,ek,rk,rk-1,M1,M2

Chờ ngắt

Thuật toán ngắt timer:

Tính Sk, yk

ek = sk - yk

rk = ek + M1

uk = rk + M2

rk-1 = rk

M1 = rk-1

M2 = -0.05rk-1

PORTC=uk

Quay lại chương trình chính

4.3 Cấu trúc bộ điều khiển và chương trình

PB0/T0/XCK 1 PB1/T1 2 PB2/AIN0/INT2 3

PB3/AIN1/OC0 4

PB4/SS 5 PB5/MOSI 6 PB6/MISO 7 PB7/SCK 8

RESET 9 XTAL2

12 XTAL1 13

PD0/RXD 14 PD1/TXD 15 PD2/INT0 16 PD3/INT1 17 PD4/OC1B 18 PD5/OC1A 19 PD6/ICP1 20 PD7/OC2 21

PC0/SCL 22 PC1/SDA 23 PC2/TCK 24 PC3/TMS 25 PC4/TDO 26 PC5/TDI 27 PC6/TOSC1 28 PC7/TOSC2 29

PA7/ADC7

33 PA6/ADC6

34 PA5/ADC5

35 PA4/ADC4

36 PA3/ADC3

37 PA2/ADC2

38 PA1/ADC1

39 PA0/ADC0 40

AREF 32 AVCC 30

U?

ATMEGA16

8MHZ

CRYSTAL

C1

10uF

C2

10uF

RV?

1k

A2

6 VREF+

14

VEE 3

A1 5

IOUT 4 A3

7 A4 8 A5 9 A6 10 A7 11 A8 12

VREF- 15

COMP 16

U?

DAC0808

R1

5k

R2

5k

C3

1nF

-15k

U?

OP1P

R4

5k

Yk

Chương trình trên vi điều khiển

#include <mega16.h>

#include <delay.h>

// Declare your global variables here

char sk=0, yk=0, rk=0, rk-1=0, M1=0, M2=0;

// Timer1 overflow interrupt service routine

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)

{

// Reinitialize Timer1 value

TCNT1H=0xD8F0 >> 8;

TCNT1L=0xD8F0 & 0xff;

sk=read_adc(0);

yk=read_adc(1);

rk=ek+M1;

uk=rk+M2;

rk-1=rk;

M1=rk-1;

M2=-0.05*rk-1;

if(uk>255) {uk=255;};

else

if(uk<0) {uk=0;};

PORTC = (unsigned char) uk;

}

Tài liệu tham khảo [1] Sách điều khiển số; Nhà xuất bản Hàng Hải