btl dks RFS32 - 3030

RFS32 - 3030

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Đề bài 38: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO

Hanrmonic RFS32-3030

Chương 1 Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RFS32-3030

1.1 Cấu tạo của động cơ servo

1.2 Nguyên lý hoạt động

1.3 Các tham số cơ bản của động cơ

Chương 2 Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ Servo Harmonic RFS32-3030

2.1 Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo Harmonic RFS32-3030

2.2 Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RFS32-3030

ĐIỀU KHIỂN SỐ

Đề bài 38: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO

Hanrmonic RFS32-3030

Chương 1 Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RFS32-3030

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) 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, 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 chính xác

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

1.1 Cấu tạo của động cơ servo:

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ servo

1, Động cơ ; 2, Bản mạch

7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp hành

3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu

5, Dây âm nguồn ; 6, Điện thế kế

9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển 1.2 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 Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo quay liên tục được nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác khoảng từ 90o - 180o Điều khiển động cơ là điều khiển độ rộng xung (PWM), động cơ đòi hỏi tín hiệu từ 30 – 60 xung/s Hai thông số chính của động

cơ là momen xoắn và thời gian để trục động cơ quay một góc

+ Momen xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra, các servo có momen xoắn rất cao nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc

+ Thời gian để trục động cơ quay một góc ( thường bằng 60o) là thời gian transitor Các servo nhỏ thường quay khoảng 0,25s/60o trong khi các servo lơn

quay chậm hơn Thời gian transitor càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh Từ thời gian transitor ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng/phút của trục động cơ

- 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

- Khi tốc độ động cơ bị lệch so với tốc độ đặt, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

- Để lấy tín hiệu phản hồi về và điều khiển chính xác động cơ theo mong muốn, người ta đã tích hợp động cơ vói mooyj bộ encorder và một bộ điều khiển

- Encorder đo vận tốc tức thời của động cơ, chuyển thành tín hiệu điều khiển đưa về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển nhận được tín hiệu từ encorder gửi về, lập tức phân tích, xử

lý tín hiệu đó và tiến hành điều khiển động cơ theo một thuật toán cho trước

- Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RFS32-3030 của hãng Harmonic Động cơ này thuộc dòng RFS - series (Sizes 20) là dòng động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, mô men lớn và có gắn sẵn encoder

1.3 Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 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: Thông số động cơ

Công suất đầu ra (sau hộp số) W 308

Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh

hưởng của tốc độ đến sđđ phần

ứng )(Kb)

Mô men quán tính (J) In-bl –sec2 104

Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 6.5

Nm/rpm 7.3*10^-2

N RFS:1600

Chương 2 Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ

Servo Harmonic RHS 17-6006

2.1 Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo Harmonic RFS32-3030

Đối tượng điều khiển được mô tả bởi phương trình toán học sau :

 Điện áp phần ứng : uA=eA+RAiA+LA

di A dt

 Sức từ động cảm ứng: eA=ke ψ.n

 Tốc độ quay:

dn

dt=

1

2 πJJ(m M−m T)

 Momen quay: m M=k M ψ i A

 Hằng số động cơ: k e=2πJ kM

 Hằng số thời gian phần ứng: TA=

L A

R A

Tham số chính:

-Ra=0.4 Ω

-La=0.84mH

-Kt=26.6 Nm/A

-Kb=2.74 V/rpm

-Bf=7.3*10^-2

-J=104

Ta có:

1

A

di

dt d



















Chuyển sang miền Laplace ta có

1

.

.

.

b

a

s

J s

n

i

e K

















(2)

Có

a





Thay vào (2) ta được hệ phương trình sau :

( )*1/

1

.

.

.

a

a

a

b

a

s

J s

n

i

e K



























Từ hệ phương trình trên,ta có cấu trúc của động cơ như sau :

Hình 2.1: Cấu trúc động cơ DC servo

Thay số vào hệ trên ta có (Mc=0) :

Hình 2.2: Cấu trúc động cơ DC servo mô phỏng trên simulink

Kết quả mô phỏng

Hình 2.3: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo RFS32-3030

Hình 2.4: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo RFS32-3030

2.2 Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RFS32-3030

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện.

Ki: Hệ số phản hồi của sensor dòng Chọn Ki = 1

Kcl: Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu Chọn Kcl = 15

Tdk: Hằng số thoi gian điều khiển Tiristor Tdk = 0.01

Tv: Hằng số mở van Tiristor, Tv =0.01

Hàm truyền mạch vòng dòng:

Si(s) = K cl K i/R u

(T s s+1)(T u s+1)

Ts = Tdk + Tv

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta tìm được hàm truyền bộ điều khiển dòng:

RI =

1+T u s

K cl K i

R u .2 T s s = T u R u

2 K cl K i .T s .(1+

1

T u s)

Và hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là: FI = 1/ K i

1+2.T s s+2.T s2 s2

Hình 2.6: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện mô phỏng trên simulink

Hình 2.7: Cấu trúc mạch nối tầng mạch vòng dòng và mạch vòng tốc độ.

Kw: Hệ số phản hồi của cảm biến tốc độ, Kw = 1

Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là:

FI = 1/ K i

1+2.T s s+2.T s2 s2

Do Ts rất nhỏ → Ts2 ≈ 0 → FI = 1/ K i

1+ 2.T s s

Hàm truyền đối tượng trong mạch vòng tốc độ có dạng:

Sω(s) = K K t K ω

i (1+2 T s s).(J s +Bf )

Bỏ qua hệ số momen nhớt Bf ta có

Sω(s) = K K t K ω

i J (1+ 2T s s) s

Theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng bộ điều khiển tốc độ là:

Rω = 4 K K i J

t K ω T s.( 1+8.T1

s s )

Mô phỏng :

Hình 2.8: Cấu trúc mạch nối tầng mạch vòng dòng và mạch vòng tốc độ mô phỏng

trên simulink

Thông số:

Ki = 1

Kw = 1

Kcl = 15

Tdk = 0.01

Tv = 0.01

Ts = Tdk + Tv

Hình 2.9: Đáp ứng tốc độ trên miền thời gian liên tục

Kᵩ: Hệ số phản hồi của cảm biến tốc độ, Kᵩ = 1

Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là:

Fᵩ = 8 Tss+1

64 Ts3s3

+32 Ts2s2

Do Ts rất nhỏ → Ts3 ≈

Hàm truyền đối tượng trong mạch vòng điều khiển vị trí có dạng:

Sᵩ(s)=

1

6 Ts

s ( 16 Ts

Theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng bộ điều khiển tốc độ là:

Rᵩ(s) = Kp Tis+1 Ti

Mô phỏng

Hình 2.10: Cấu trúc mạch vòng điều khiển vị trí mô phỏng trên simulink

Hình 2.11: Đáp ứng vị trí trên miền thời gian liên tục

2.3.1 Bộ điều khiển vị trí trên miền số.

Hàm truyền đối tượng trong mạch vòng tốc độ trên miền thời gian liên tục sẽ có dạng:

G(s)= 8 Tss+1

64 Ts3s3+32 Ts2s2 = 0.16 s+1

5.12∗10−4s3+0.0128 s2

Chuyển hàm truyền đối tượng sang miền số: Chọn chu kì trích mẫu T=0.05

Khai báo trên Matlab:

>> Gs = tf([0.16 1],[5.12*10-4 0.0128 0 0])

>> T = 0.05

>> Gz = c2d(Gs,T,'zoh') G(z) = 0.2988 z3+0.00175 z−0.1612

z3−2.287 z2+1.573 z−0.2865

Sử dụng công cụ rltool để tìm bộ điều khiển PID số cho đối tượng:

Ta tìm được bộ điều khiển PID như sau:

1.4067 z (z-0.99)

C=

z (z-0.8)

Sampling time: 0.05

Mô phỏng simulink

Hình 2.12: Đáp ứng vị trí trên miền số

Ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu tới chât lượng hệ thống

Khi chu kỳ trích mẫu T=1

Hình 2.13: Đáp ứng vị trí trên miền số

 Nhận xét:

Khi chu kỳ trích mẫu T càng lớn thì chất lượng của hệ thống càng kém dần đi rồi đi đến mất ổn định

Kết Luận

Tài liệu tham khảo

[1] Harmonic drive actuator – Precision Gearing & Motion Control

DC Servo System – RHS & RFS Series

[2] GS.TS Nguyễn Phùng Quang

Matlab & Simulink Dành Cho Kỹ Sư Điều Khiển Tự Động