Điều Khiển Số

RHS 14 - 6003

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN SỐ

Đề 11: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic

RHS 14-6003

Chương 1 Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003

1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003

1.1 Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 Chương 2 Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003

2.1 Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực 2.2 Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003

Chương 3 Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink

3.1 Sơ đồ mô phỏng 3.2 Kết quả mô phỏng 3.3 Nhận xét và kết luận

Hải phòng ngày 12/4/2013 GVHD SVTH

Chương 1 Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003

1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003

Hình 1.1: Động cơ RHS 14-6003 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 14-6003 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 RHS 14-6003

Công suất đầu ra (sau hộp số) W 34

Mômen định mức TN In-lb 48

Tốc độ định mức nN rpm 60

Mômen hãm liên tục In-lb 54

Mômen cực đại đầu ra Tm In-lb 155

Hằng số mômen (KT) In-lb/A 80

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 0.41

Kgm2 0.45 Hằng số thời gian cơ khí ms 6.7

Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 6.2

Nm/rpm 0.71

Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.2

Nm/rpm 2.3*10-2

Tải trọng hướng trục lb 88

Tốc độ định mức động cơ rpm 3000

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

Các tham số cơ bản của động cơ như sau:

Ra = 11.6 Ω; La = 4.5 mH

Kt = 8.9 Nm/A ; Kb = 0.9 V/rpm

Bf = 2.3*10-2

J = 0.45

Ta có :

ua - ea = ia Ra + La d i a

dt

d ω

dt = 1J ( Mđc - Mc¿

Mđc = Kt. ia

ea = Kb.n

Chuyển sang Laplace ta được:

Ua - Ea = Ia Ra + La . Ia .s

Ua - Ea = Ia Ra + La . Ia .s

s.� = 1J ( Mđc - Mc ) � = 1

J.s (

Mđc - Mc )

Mđc = Kt . Ia Mđc = Kt .

Ia

Ea = Kb n Ea = Kb n

Với Ta = L a

R a ta có:

Ia = 1

R a

1+T a s ( Ua - Ea )

� = J.s1 ( Mđc - Mc )

Mđc = Kt . Ia

Ea = Kb n

Cấu trúc động cơ như sau:

Hình 1.3: Cấu trúc động cơ RHS 14-6003

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

RHS14-6003 2.1 Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực

Mô hình mô phỏng trên Simulink:

Hình 2.1: Mô hình mô phỏng động cơ RHS 14-6003 Với T=20s:

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

Hình 2.1: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003

Hình 2.2: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003

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

Hình 2.3: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003

Hình 2.4: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003

2.2 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

1

k

i I

T

1

i I

T

T

−

−

=

(T I =T K C / R)

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

I

T

T −

( ) 1 ( ) 1 ( )

I

T

U z z U z z E z

T

1

( ) I 1

−

−

−

1

1

R I

ω

−

−

−

−

* Sử dụng phương pháp hình thang:

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

2 k k

I

T

( ) 1 1 ( 1 )

2

I

T

U z z U z E z z E z

T

1

1 ( ) 2 I 1

−

−

+

−

1

1

2 1

R

I

ω

−

−

−

+

−

Chương 3 Mô phỏng hệ thống trên Matlab - Simulink

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 14-6003 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

Ta có hàm truyền hệ hở:

2

0.002 5.22 0.

,9

267

8

S

R

=

Hàm truyền hệ kín:

0.002 5.2

8

2 8, 77

,9

2

S k

R

+

=

+

→

( ín)

8,9 ( 1,5866)( 2608, 4)

S k

R

=

→

( ín )

0,00215 (0, 63 1)(0, 0004 1)

S k

R

=

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:

2 2

1 ( )

MC

δ δ

τ τ

=

Ta có:

( ) ( )

( ) ( )

kin MC

kin

R s G s

F s

R s G s

ω ω

= +

1 ( )

( ) 1

kin MC

R s

 − 

( )

2 (1 ) ( ) 1 kin

kin MC

R s

ω

−

+

Xây dựng vòng điều khiển tốc độ: ta chọn bộ điều khiển dạng PI

1 ( ) R Ts

Ts

Với:

0.0004

0,148 2*0,00215*0,63

R

0, 0004

R

( ) 0,148

0, 0004

R s

370 ( ) 0,148

R s

s

ω

3.1.2 Thiết kế bộ điều khiển trên miền thời gian gián đoạn

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

370 ( ) 0,148

R s

s

0,148; 370

Ta chọn thời gian T = 0.1s

* Áp dụng phương pháp hình chữ nhật ta có:

1

1

1

R I

ω

−

−

−

−

370

2500 0,148

C

I

R

T

T

K

1

1 1

1

0.1 0,146

2500 1

1

z

z z

e

z

ω

−

−

−

−

−

−

−

* Áp dụng phương pháp hình thang ta có:

1

1

1

2 1

R

I

ω

−

−

−

+

−

370

2500 0,148

C

I

R

T

T

K

1

1 0,148 (2* 5)

1

z

z

ω

−

−

−

+

−

3.2 Kết quả mô phỏng

3.2.1 Kết quả mô phỏng trên miền thời gian liên tục

Với T=20s:

Ta có mô hình mạch vòng tốc độ trên miền thời gian liên tục:

Hình 3.2: Mô hình mạch vòng tốc độ với bộ điều khiển PI

Hình 3.3: Đáp ứng tốc độ động cơ DC servo RHS 14-6003 khi có bộ điều khiển

tốc độ

3.2.2 Kết quả mô phỏng trên miền thời gian gián đoạn

a Phương pháp hình chữ nhật

Ta có:

1

1

1

z

z

ω

−

−

−

−

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 3.5: kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ

b Phương pháp hình thang

Ta có:

( )1 1

1

1

1

z

z

ω

−

−

−

+

−

Mô hình trên Simulink:

Hình 3.6: Mô hình xấp xỉ theo phương pháp hình thang

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện

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