Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo RH14-6003 Matlab

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU...............................................................................................................2
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 146003.......................................................................................................................3
1.1. Giới thiệu động cơ servo............................................................................3
1.2. Thông số động cơ DC Servo Harmonic RHS 14-6003..............................4
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SERVO HARMONIC RHS 14-6003....................................................................7
2.1.

Xây dựng hệ phương trình tốn học động cơ DC servo RHS 14-6003. 7

2.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo
Harmonic RHS 14-6003..................................................................................11
2.3 Nhận xét....................................................................................................15
KẾT LUẬN.........................................................................................................17
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................18

1


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. Hịa
cùng sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vi xử lý
mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và xử lý dữ liệu. Những hạn
chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc cố định 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 xử lý, một cấu

trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên kỹ thuật
số cũng có những nhược điểm như xử lý các tín hiệu rời rạc…, đồng thời tín
hiệu tương tự có những ưu điểm mà kỹ thuật số khơng 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 nắm 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 “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ
động cơ DC Servo Harmonic RHS 14-6003.”. Do kiến thức còn hạn chế nên bài
tập cịn có nhiều sai sót, nên em mong nhận được sự bổ sung của các thầy, cô và
các bạn!

2


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS
14-6003
1.1. Giới thiệu động cơ servo
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 vịng 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 mơ hình máy
bay, ơ tơ. Ứng dụng mới nhất cho động cơ servo là dùng trong Robot, cùng loại
với các động cơ dùng trong mơ hình máy bay và ô tô.
Cấu tạo động cơ Servo:

3


Hình 1.1: 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
4


9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển
1.2. Thơng số động cơ DC Servo Harmonic RHS 14-6003
Động cơ DC Servo Harmonic là loại động cơ bước nhỏ, được sử dụng trong
công nghiệp, khả năng điều khiển chuyển động và momen xoắn với độ chính
xác cao. Động cơ có hộp số cho momen xoắn cao, độ cứng xoắn cao và hiệu
suất cao. Do đó mà nó được sử dụng trong các robot cơng nghiệp và tự động
hóa.

Hình 1.2: Đặc tính tải của động cơ

5

Thông số kỹ thuật động cơ:
Thông số

Đơn vị

Công suất đầu ra (sau hộp số)

W

34

Điện áp định mức

V

75

Dòng điện định mức

A

1

In-lb

48

Nm

98

rpm

5.4

In-lb

54

Nm

6.1

A

2.4

In-lb

155

Nm

18

rpm

100

In-lb/A

80

Nm/A

8.9

v/rpm

0.9

In-bl –sec2

0.41

Kgm2

0.45

ms

6.7

In-lb/rpm

6.2

Nm/rpm

0.71

In-lb/rpm

0.20

Mômen định mức TN
Tốc độ định mức nN
Mômen hãm liên tục
Dịng đỉnh
Mơmen cực đại đầu ra Tm
Tốc độ cực đại
Hằng số mômen (KT)

Động cơ RHS 14-6003

Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh
hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng
)(Kb)
Mô men quán tính (J)
Hằng số thời gian cơ khí
Độ dốc đặc tính cơ
Hệ số momen nhớt ( Bf)

6


Nm/rpm
Tỷ số truyền

1:R

2.3*10^-2
1:50

lb

88

N

392

lb

88

N

784

Công suất động cơ

W

392

Tốc độ định mức động cơ

rpm

3000

Điện trở phần ứng

Ω

11.6

Điện cảm phần ứng

mH

4.5

Dòng thời gian liên tục

ms

0.4

Dịng khởi động

A

0.25

Dịng khơng tải

A

0.4

Tải trọng hướng tâm

Tải trọng hướng trục

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003
2.1. Xây dựng hệ phương trình tốn học động cơ DC servo RHS 14-6003
Các tham số cơ bản của động cơ RHS 14-6003:
Ra= 11.6Ω
La= 4.5mH=4.5*10^-3H
Kt=8.9Nm/A
Kb=0.9v/rpm
Bf=2.3*10^-2
7


J=0.45kgm2
Khảo sát:
Biến đổi Laplace:

Biến đổi Laplace:

Mô phỏng động cơ trên miền thời gian liên tục

Hình 2. 1 Cấu trúc động cơ DC Servo
Kết quả mô phỏng DC servo Harmonic RHS 14 – 6003 với điện áp định
mức 75 V
Khi không có Mc:

8


Hình 2. 2 Đặc tính tốc độ động cơ khơng tải
Khi có Mc:

Hình 2. 3 Dịng điện động cơ khi có tải

9


Hình 2. 4 Tốc độ động cơ khi có tải
Nhận xét:
Dịng điện
Ngay khi đóng điện dịng điện lập tức tăng vọt lên 6.5A trong khoảng thời
gian ngắn (dòng khởi động) nhưng rồi nhanh chóng chở về trạng thái xác lập. Ở
trường hợp khơng có tác động của Mc (khơng có tải) thì dịng điện (hình 2.5) thì
dịng điện nhanh chóng đi vào trạng thái xác lập, cịn ngay khi có tác động của
Mc (khi cấp tải định mức) thì dịng điện tăng lên đến dòng điện định mức (I =
6.5A) và sau đó sẽ đi vào trạng thái xác lập với I = 0.8A.
Tốc độ
Ở trường hợp khơng có tác động của Mc (khơng có tải) thì tốc độ (hình 2.3)
thì tốc độ nhanh chóng đi vào trạng thái xác lập (v = 3600 Rpm) cịn ngay khi có
tác động của Mc (khi cấp tải định mức) thì tốc độ giảm xuống đến tốc độ định
mức (v = 300 Rpm) và sau đó sẽ đi vào trạng thái xác lập với v = 300Rpm.Mô
phỏng động cơ trên miền thời gian gián đoạn
>> G1=1/(L*s+R)
G1 =1/(0.00045s + 11.6)
>> G2=Kt

10


G2 =

8.9000

>> G3=1/(J*s+Bf)
G3 =1/ (0.45s + 0.0023)
>> G0=G1*G2*G3
G0 =8.9/(0.002025s^2 + 5.22s + 0.02668)
>> Gws=feedback(G0,Kb)
Gws =8.9/(0.0002025s^2 + 5.22s + 8.037)
>> Gwz=c2d(Gws,1,'zoh')
Gwz =0.8699 z + 1.419e-05/(z^2 - 0.2144z)
>> step(75*Gz)

Hình 2. 5 Chu kỳ trích mẫu T=1s

11


Hình 2. 6 Chu kỳ trích mẫu T=0.01s
Nhận xét: Khi tăng chu kỳ trích mẫu lớn hớn đáp ứng đầu ra nhanh hơn tuy
nhiên là dạng đáp ứng không mịn.
2.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo
Harmonic RHS 14-6003
* Thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ
- Chọn Usp= 10V, khâu băm xung của bộ điều khiển là 20kHz, bộ điều khiển:

-Chọn khâu phản hồi có dạng:

12


Hình 2. 7 Mơ hình trên matlab
Sử dụng phần tune trong matlab để tính thơng số P, I, D:

Hình 2. 8 Chế độ tune trong matlab
P= 0.0225
I= 0.1048
Khi chưa có Mc:

13


Hình 2. 9 Tốc độ khi chưa có Mc
Khi có Mc ở thời điểm 2s

Hình 2. 10 Tốc độ khi có Mc ở thời điểm 2s

14


Hình 2. 11 Dịng điện khi có Mc ở thời điểm 2s
Nhận xét:
Thời gian đáp ứng nhanh, khi có tác động của Mc tốc độ có bị tụt
xuống trong thới gian rất ngắn (chỉ trong khoảng 0.4s) nhưng nhờ bộ điều khiển,
tốc độ nhanh chóng trở về tốc độ định mức xác lập
* Bộ điều khiển số:

Xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần D bậc 1:
GR(z)=

Với: , ,
Thông số từ bộ điều khiển PID ta có:

Suy ra r0=0.0225, r1=-0.0224
Xây dựng trên Simulink matlab

15


Hình 2. 12 Vận tốc đặt là 2000 rpm
Kết quả mơ phỏng:

Hình 2. 13 Đáp ứng tốc độ

16


Hình 2. 14 Đáp ứng dịng điện
2.3 Nhận xét
Các kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng ra của bộ điều khiển trên miền liên
tục như đáp ứng ra của bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục.
Khẳng định thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển số xấp xỉ liên
tục là hồn tồn đúng 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 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 tốn của thiết bị, các tài ngun hỗ trợ cũng như bản thân hệ thống cần điều
khiển.

17


KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện cho đến nay bài tập lớn của
nhóm em đã được hoàn thành đúng thời hạn, đáp ứng yêu cầu của đề tài là :
“Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic
RHS 14-6003.”
Bên cạnh đó, sau khi hồn thành bài tập lớn nhóm em đã phần nào tiếp thu
thêm
được cách tìm kiếm tài liệu, tổng hợp thơng tin, kỹ năng trình bày, … một cách
chính xác và khoa học hơn, góp phần cải thiện cho công việc nghiên cứu, học
tập của bản thân sau này. Trong q trình hồn thành bài tập lớn, với kiến thức
cịn hạn chế nhóm em khơng thể tránh khỏi những thiếu sót khơng mong muốn,
vậy mong thầy thơng cảm, giành những ý kiến bổ sung góp phần giúp đỡ nhóm
em được hồn thiện tốt hơn, em xin chân thành cảm ơn.
Hải phòng, ngày 14 tháng 12 năm 2021

18


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG – TS. Nguyễn Khắc
Khiêm,
TS. Phạm Tuấn Anh – nhà xuất bản Hàng Hải, 2018.

19