Bài tập lớn Điều khiển số :Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu DeadBeat cho dòng động cơ DCServo Rh 11D 3001

Bài tập lớn học phần Điều khiển số đề tài:Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu DeadBeat cho dòng động cơ DCServo Rh 11D 3001(AUTO NHẬN). Lời nói đầu Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R113001 Chương 2. TỔNG HỢP MẠCH DÒNG ĐIỆN THEO KHÂU ĐIỀU CHỈNH DEADBEAT Chương 3. MÔ PHỎNG MẠCH KHI ĐÃ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN Chương 4: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển atmega16 Kết luận Tài liệu tham khảo

Mục lục Lời nói đầu

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

1.1 Giới thiệu về động cơ RH-11D-3001

1.2.Các thông số của động cơ RH-11D 3001

1.3.Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển

Chương 2 TỔNG HỢP MẠCH DÒNG ĐIỆN THEO KHÂU ĐIỀU CHỈNH DEAD-BEAT

2.1 Tổng hợp mạch dòng điện theo khâu điều chỉnh DEAD-BEAT

2.2 Sơ đồ mạch vòng tốc độ

Chương 3 MÔ PHỎNG MẠCH KHI ĐÃ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Mô phỏng bộ điều khiển

3.2 Nhận xét và kết luận

Chương 4: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển atmega16

4.1.Thực thi bộ điều khiển số

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt, đặc biệt 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 sụ trôi thông số, sự làm việc cố điịnh 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 sô 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 Bài tập lớn Môn “Điều khiển số” đã giúp em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới sự hướng

dẫn của thầy Nguyễn Văn Tiến em đã thực hiện xong bài tập này Do

kiến thức còn hạn chế nên bài tập còn có nhiều sai sót, nên em mong nhận được sự bổ xung của các thầy, cô và các bạn

Đề 41: “Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu DeadBeat cho dòng động cơ DCServo Rh 11D 3001”.

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

Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RH-11D

3001 của hãng Harmonic Động cơ này thuộc dòng RH Miniseries là ldòng động cơ được thiếtkế nhỏ gọn ,truyền động chính

xác ,mô men lớn và có gắn sẵn encoder

1.1 Giới thiệu động cơ DC Servo RH 11D 3001

Là động cơ cho phép điều khiển vô cấp tốc độ

Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành

(actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ

robot) 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

trong Robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và

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

Kiểu chạy : Liên tục

Kích thích : Nam châm vĩnh cửu

Cách điện : lớp B

Điện trở cách điện : 100M Ω

Độ rung : 2.5g(5~400HZ)

Shock : 30g (11ms)

Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-2)

Nhiệt độ môi trường : 0 ~ 40oC

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

Laplace như sau:

Hình 1.2 Mô hình động cơ 1 chiều trên miền Laplace

-Mô phỏng động cơ 1 chiều

Hình 1.3 Mô hình động cơ trên miền LapLace

Thiết kế trên không gian matlab

G4=Ke;

G5=Kbd/(Tbd*s+1);G6=Kw/(Tw*s+1);G7=10/3000;

Gh1=G1*G2*G3;Gs=Gh1/(1+Gh1*G4);

Gz=c2d(Gs,T,'zoh')step(Gz);

Gs =

Sample time: 0.01 seconds

Discrete-time transfer function

Vậy ta có mô hình của đối tượng trên miền S là Gs

Từ đó ta có hàm truyền gián đoạn Gz

1.2 Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm bước nhảy đơn vị

Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhảy đơn vị:

>> step(Gz) :// khảo sát đầu ra khi đầu vào là 1 hàm bước nhảy đơn vị (U=1V)

Hình 1.4 Đáp ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhảy đơn vị

1.3 Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển

Khi chưa có tải và điện áp đặt là 24v:

Đặc tính tốc độ động cơ

Hình 1.5 Tốc độ ra của động cơ khi không tải

Đặc tính dòng điện không tải

Hình 1.6 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 1.7 Tốc độ động cơ khi có tải

Đặc tính dòng điện động cơ khi có tải

Hình 1.8 Đặc tính dòng điện của đông cơ khi có tải

- Nhận xét :

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

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

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP MẠCH DÒNG ĐIỆN THEO KHÂU

ĐIỀU CHỈNH DEAD-BEAT 2.1 Tổng hợp mạch dòng điện theo khâu điều chỉnh DEAD-BEAT

Ra

L a

=4,71,1.10-3=4272,72

có Kbđ

Tbđ La=

2, 4 0,000 01.1,1 10-3=21,8.10

Thực hiện biến đổi Z biểu thức trên ta có:

Z{Ghi (s )

0,64.z z-e-4272,72 Ti − 1,155.z

Ta tổng hợp bộ điều khiển R theo kiểu Dead-Beat nên ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh có dạng như sau:

Hình 2.2 Mô hình mạch vòng tốc độ động cơ 1 chiều

Từ mô hình ta có đối tượng của hàm truyền hở như sau:

1,001 (1-e-1,41 T) z-e -1,41.T

Chọn bộ điều khiển có dạng (PI) như sau:

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MẠCH KHI ĐÃ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU

KHIỂN 3.1 Mô phỏng bộ điều khiển

Sơ đồ mô phỏng động cơ khi có bộ điều khiển

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng mạch dòng tốc độ động cơ 1 chiều

Đặc tính động cơ khi không tải với U=10v:

Đặc tính động cơ khi có bộ điều khiển và Mc=9N/m

Hình 3.4 Đặc tính tốc độ của động cơ khi có tải

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

Hình 3.5 Đặc tính dòng phần ứng động cơ khi có tải

3.2 Nhận xét và kết luận

Khi chưa có tải: - 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 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

rk = ek + rk-1

uk = 0.01rk – 0.05rk-2

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

Quay lại chương trình chính

PORTC=ukM2 = -0.05rk-1M1 = rk-1rk-1 = rk

rk = ek + M1

uk = rk + M2

ek = sk - yk

4.3 Cấu trúc bộ điều khiển và chương trình

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);

lý nhanh nhạy và đặc biệt các bộ điều khiển số cho phép ta thay đổi luật điều khiển

1 cách dễ dàng bằng cách thay dổi chương trình cho vi điều khiển, điều này không thực hiện được với các bộ điều khiển tương tự

Từ kết quả mô phỏng hệ thống ta thấy được vai trò của bộ điều khiển khi hoạt động với tải, khi không có bộ điều khiển thì có tải sẽ gây ra sự mất ổn định đặc biệt là khi làm việc với tải lớn, điều này là không được phép trong các hệ thống điều khiển chính xác Nhờ có bộ điều khiển mà khi có sự thay đổi ảnh hưởng của tải hay nhiễu từ bên ngoài thì sẽ làm cho tốc độ của động cơ bị thay đổi, tốc độ thực sẽ được phản hồi về và so sánh với tốc độ đặt của người sử dụng xuất hiện sai lệnh và gửi tín hiệu sai lệch vào bộ điều khiển, khi đó bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh các tham số điện (như điện áp, tần số, dòng điện ) để tốc độ quay của động cơ luôn có giá trị bằng giá trị đặt.

Trong bài tập lớn này, do ta xét động cơ servo có công suất nhỏ nên dòng động cơ cũng nhỏ nên sự thay đổi dòng điện khi có sự tác động bởi nhiễu là nhỏ ta

có thể bỏ qua, chỉ xét mạch vòng điều khiển tốc độ.

Từ kết quả mô phỏng ta thấy việc chọn chu kỳ trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống Một bộ điều khiển mà ta thay đổi chu kỳ trích mẫu sẽ cho ra các đáp ứng khác nhau Chu kỳ trích mẫu càng nhỏ thì bộ điều khiển sẽ cho đáp ứng có chất lượng cao độ quá điều chỉnh thấp và thời gian xác lập nhanh Tuy nhiên không phải lúc nào cũng lựa chọn được chu kỳ trích mẫu nhỏ, điều này còn thân hệ thống cần điều khiển.

Tài liệu tham khảo