Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp gán điểm cực cho động cơ DC servo 3002

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 xử lý đữ liệu.. Giới thiệu động cơ DC Servo Điều

LỜI MỞ 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 xử 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 Mô “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 xót, nên em mong nhận được sự bổ xung của các thầy, cô vàcác bạn

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO

HARMONIC RH 14D-3002 1.1 Giới thiệu động cơ DC Servo

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) đượcdùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot) Điều khiển được DCMotor là ta đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động DCservo 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 cơquay, 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 tínhiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệchcho động cơ đạt được điểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trongnhiều 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 với các loại động cơ dùng trong mô hình máy bay , ô tô

 Cấu tạo của động cơ Servo DC:

Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ DC ServoThông thường cấu tạo của 1 động cơ servo sẽ bao gồm 2 bộ phận rotor vàstator Động cơ servo DC cũng bao gồm hai bộ phận chính trên và một số bộphận khác như:

1 Động cơ

2 Bản mạch

3 Dây dương nguồn

Bộ phận rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh

và stator của động cơ được cuốn bởi các cuộn dây riêng biệt và được cấp nguồntheo một trình tự thích hợp để quay rotor Khi đó chuyển động quay của rotorphụ thuộc vào tần số và pha, phần cực và dòng điện chạy trong cuộn dây statortrong trường hợp dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác

Mạch điều khiển của động cơ được nối với tín hiệu ra Điều này có nghĩakhi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển.Lúc này nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản quá trình chuyển động quay của động

cơ, bộ phận cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu và mạch điểu khiển sẽ phải tiếptục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đến khi đạt điểm chính xác

 Ưu nhược điểm của động cơ DC Servo:

- Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vòng kín chính vì vậy động cơ servo DC

rất dễ điều khiển, dễ sử dụng Bên cạnh đó động cơ còn giúp kiểm soát tốc độchính xác, đảm bảo quá trình vận hành được ổn định Hiện nay giá thành củađộng cơ Servo DC rẻ hơn so với các loại động cơ khác

- Nhược điểm: Vì cấu tạo có bộ phận chổi than nên điểm hạn chế lớn nhấtcủa loại động cơ này chính là dễ gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành vàquán tính cao khi giảm tốc độ Nếu sử dụng động cơ DC servo không chổi thanthì sẽ khiến động cơ chạy êm và vận hành tốt hơn

 Ứng dụng:

Có rất nhiều máy móc sử dụng động cơ DC servo để hoạt động Cụ thểđộng cơ DC servo có thể ứng dụng trong ngành điện - điện tử (ví dụ như lắp cácchip LSI trên bảng mạch) Tuy nhiên, hiện nay động cơ DC servo rất hạn chếtrong ứng dụng ngành điện - điện tử mà thay vào đó động cơ có ứng dụng chủyếu 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 trong sản xuất robot vì sự chuyển động trơn tru và định vịchính xác

 Ứng dụng trong các loại đồ chơi điều khiển bằng radio

 Ứng dụng trong sản xuất các loại thiết bị điện tử như đĩa DVD, máy nghenhạc blue

 Ứng dụng trong xe ô tô để duy trì tốc độ của phương tiện

Một số sản phẩm nổi bật sử dụng động cơ DC servo: Động Cơ DC Servogiảm tốc GA12 - N20 Encoder, động cơ DC Servo JGB37-545 DC GearedMotor, động cơ DC Servo Giảm Tốc Hành Tinh Planetary GP36,

1.2 Động cơ DC Servo RH 14D-3002

Hình 1.2 Động cơ DC Servo RH-14D 3002Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ DC Servo RH-14D 3002 của hãngHarmonic Động cơ này thuộc dòng rhmini series là một dòng động cơđược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác , mô men lớn và có gắn sẵnencoder

Thông số kỹ thuật của động cơ DC Servo RH 14D-3002:

+ Kiểu chạy: Liên tục.

+ Kích thích: Nam châm vĩnh cửu

+ Nhiệt độ môi trường: 0 40°

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

Bảng 1.1 Thông số của động cơ DC Servo RH 14D-3002

Thông số Động cơ RH-14D 3002 Đơn vị

1.3 Mô hình đối tượng trên miền liên tục

Các tham số xây dựng mô hình động cơ:

{u u−e u=i u R u+L u . d i u

dt dω

Chuyển sang Laplace ta được: {U u−E u=I u R u+I u T u s

Hình 1.4 Đặc tính tốc độ động cơ khi không tảiĐặc tính dòng điện động cơ:

Hình 1.5 Đặc tính dòng điện động cơ khi không tảiNhận xét: Khi không tải, tốc độ động cơ là 3000 v/p và dòng điện khôngtải ban đầu tăng mạnh nhưng ổn định sau đó xấp xỉ 1A, đúng với thông số kỹthuật của động cơ

+ Khi có tải Mc=9 N/m và điện áp đặt là 24V:

Đặc tính tốc độ động cơ:

Hình 1.6 Đặc tính tốc độ động cơ khi tải Mc=9Đặc tính dòng điện động cơ:

Hình 1.7 Đặc tính dòng điện động cơ khi tải Mc=9Nhận xét: Khi có tải động cơ không thể đạt tốc độ định mức, còn dòngđiện ban đầu tăng mạnh rồi giảm mạnh khi có tải sau đó mới ổn định

1.4 Mô hình đối tượng trên miền z

Để chuyển mô hình đối tượng sang miền z, ta làm nhập tham số trên matlab workspace:

Thông số động cơ:

Khai báo biến s

Khai báo G1:

Tính Gkt = Gk.Kg

Tính Gz

Khi bước thời gian làm hàm bước nhảy

 Khảo sát đáp ứng đầu ra đối tượng gõ lệnh: step(Gz)

Hình 1.8 Đáp ứng đầu ra của đối tượng khi đầu vào là hàm nhảy đơn vịNhận xét: đáp ứng đầu ra đối tượng chỉ đến 150 vì hàm step(Gz) đầu vào 1V

 Khảo sát đối tượng khí gõ lệnh: Step(24*Gz)

Hình 1.9 Đáp ứng đầu ra đối tượng khi khảo sát bằng step(24*Gz)Nhận xét: Đáp ứng đầu ra gần đúng với thông số của động cơ.

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO

HARMONIC RHS14-3002 2.1 Tìm bộ điều khiển số bằng phương pháp gán điểm cực

Hình 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển sốTrong đó:

P(z-1).A(z-1) + R(z-1).B(z-1) = (z-z1)(z-z2)…(z-zn)(z1, z2,…, zn là các điểm cực cần gán)

Đồng nhất hệ số phương trình trên

=> R(z-1) và P(z-1)

Hình 2.2 Qũy đạo điểm cực trên miền z

Sử dụng lệnh Rltool(G(z)) để gán điểm cực

2.2 Xây dựng mạch vòng điều khiển tốc độ

Để thuận lợi trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển ta coi gần đúng bộbiến đổi công suất (PWM) là khâu quán tính bậc nhất với hằng số thời gian Tf=1/f với f=30000Hz là tần số băm xung Hàm truyền bộ biến đổi công suất là:

Gbd(s) = K bd

1+ s T bd=

0.0092 1+3.333 −5s

Khi đó mạch vòng tốc độ có cấu trúc như sau:

Hình 2.3 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ

Ta tiến hành tìm hàm truyền mạch vòng bao gồm cả hàm truyền bộ biến đổi và hàm truyền phản hồi:

Sau khi tính hàm truyền kín hệ liên tục Gk3 cuả mạch vòng, sau đóchuyển sang hệ rời rạc bằng lệnh Gz=C2d(Gk3,0.01.,’zoh’)

Sau đó, ta gõ lệnh rltool(Gz) để lựa chọn điểm cực phù hợp phù hợp chođối tượng sao, sau đó xuất ra bộ điều khiển PID số

Gw(z) = 0.05(z +0.08) z−1

Hình 2.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ của bộ điều khiển số

Chương 3: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển

atmega16

3.1 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

3.2 Thuật toán

rk = ek + rk-1

uk = 0.01rk – 0.05rk-2

Thuật toán chương trình chính

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

Quay lại chương trình chính

PORTC=uk M2 = -0.05rk-1 M1 = rk-1 rk-1 = rk

rk = ek + M1

uk = rk + M2

ek = sk - yk

3.3 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 XTAL113

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

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

AREF 32AVCC 30

A1 5

IOUT 4A3

7 A4 8 A5 9 A6 10 A7 11 A8 12

VREF- 15COMP 16

// Timer1 overflow interrupt service routine

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)

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