TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
==========o0o==========
THIẾT KẾ MÔN HỌC
ĐIỀU KHIỂN SỐ
Mã: 13310
Học kỳ: 1 – Năm học: 2022 – 2023
Đề tài: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc
độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 8D-3006
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chuyên ngành Điện tự động cơng nghiệp
Giảng viên hướng dẫn:
HẢI PHỊNG - 12/2022
MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC
RH 8D – 3006...............................................................................................................1
1.1 Giới thiệu động cơ sevo........................................................................................1
1.1.1 Khái niệm...................................................................................................1
1.2 Cấu tạo servo.........................................................................................................1
1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo:..............................................................2
1.4 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS 8D-3006........................................2
1.4.1 Thông số động cơ RHS 8D-3006..............................................................3
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SERVO HARMONIC RHS 8D-3006..........................................................................4
2.1 Xây dựng hệ phương trình tính tốn động học động cơ servo:..............................4
2.2 Mơ hình tốn của động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006..............................4
2.3 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục..............................5
2.4 Khảo sát chu kì trích mẫu T đến tính ổn định của hệ thống...................................8
2.5 Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic RHS8D-3006......11
2.5.1 Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền liên tục..........................................11
2.6 Xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền số..............................................................15
2.7 Mô phỏng............................................................................................................16
2.8 Nhận xét và kết luận............................................................................................18
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo.....................................................................................1
Hình 1.2 Đơng cơ DC servo Harmonic RHS8D-3006 thực tế.......................................2
Hình 2.1 Cấu trúc động cơ RHS 8D-3006.....................................................................4
Hình 2.2 Mơ hình mơ phỏng động cơ RHS 8D-3006....................................................5
Hình 2.3 Điện áp định mức đơng cơ..............................................................................5
Hình 2.4 Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc.....................................................................6
Hình 2.5 Đáp ứng dịng điện khi khơng có Mc...............................................................6
Hình 2.6 Đáp ứng tốc độ khi có Mc...............................................................................7
Hình 2.7 Đáp ứng dịng điện khi có Mc..........................................................................7
Hình 2.8 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 8D-3006trên miền số..................................8
Hình 2.9 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS8D-3006 trên miền số..................................9
Hình 2.10 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 8D-3006 trên miền số.............................10
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng động cơ RHS 8D-3006 trên miền số.............................10
Hình 2.12 Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc.................................................................11
Hình 2.13 Khối tỷ lệ.....................................................................................................11
Hình 2.14 Mơ hình mơ phỏng trên Matlab dùng BĐK PID.........................................12
Hình 2.15 Đáp ứng tốc độ trên miền liên tục khi khơng có Mc....................................13
Hình 2.16 Đáp ứng dịng điện trên miền liên tục khi khơng có Mc..............................13
Hình 2.17 Đáp ứng tốc độ trên miền liên tục khi có Mc...............................................14
Hình 2.18 Đáp ứng dịng điện trên miền liên tục khi có Mc.........................................14
Hình 2.19 Cấu trúc mơ phỏng PID sang miền số.........................................................16
Hình 2.20 Đáp ứng tốc độ trên miền gián đoạn khi khơng có Mc................................16
Hình 2.21 Đáp ứng dịng điện trên miền gián đoạn khi khơng có Mc..........................17
Hình 2.22 Đáp ứng tốc độ trên miền gián đoạn khi có Mc...........................................17
Hình 2.23 Đáp ứng dịng điện trên miền gián đoạn khi có Mc.....................................18
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 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 sự trổi 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 sử 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 sử 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 lắm vững những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu là cần thiết đối với sinh
viên. Vì vậy nhóm em được giao đề tài bài tập lớn “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu
điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 8D-3006.” Qua bài tập lớn đã
giúp chúng em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm. Dưới sự
hướng dẫn của thầy … chúng em đã thực hiện xong bài tập này. Do kiến thức còn hạn
chế nên bài tập cịn có nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận được sự bổ sung của
các thầy.
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC
RH 8D-3006
1.1 Giới thiệu động cơ sevo
1.1.1
Khái niệm
Là động cơ cho phép điều khiển vô cấp tốc độ.Điều khiển động cơ DC là một
ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của hệ điều khiển tụ động vì DC Motor là cơ cấu
chấp hành được dùng nhiều nhất trong 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 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 kì 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 điều chỉnh chính xác.
Ứng dụng của động cơ servo dùng nhiều trong robot, cùng loại với các động
cơ dùng trong mơ hình máy bay và ơ tơ.
1.2 Cấu tạo servo
Cấu tạo chung của một động cơ servo gồm có 2 thành phần chính: Rotor và
Stator.
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo
1
1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo:
Stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt và Rotor của động cơ là
một thanh nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và được cấp nguồn theo một trình
tự nhất định thích hợp để quay rotor.
Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động
quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn
dây stator.
Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu
ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ vận hành thì vận tốc
và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bầt 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 nhất.
1.4 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic 8D-3006
Động cơ RHS 8D-3006là động cơ một chiều do hãng Harmonic của Nhật sản
Hình 1.2 Đơng cơ DC servo Harmonic 8D-3006thực tế
xuất. Đây là động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, momen lớn và
có gắn sẵn encoder.
1.4.1
Thơng số động cơ RHS 8D-3006
Bảng 1.1 Thông số động cơ DC servo Harmonic 8D-3006
2
Thông số
Đơn vị
Động cơ 8D-3006
Công suất đầu ra
W
62
Điện áp định mức
V
75
Dòng điện định mức
A
1.7
Momen định mức
Nm
20
Tốc độ định mức
Rpm
30
Momen hãm liên tục
Nm
22
A
3.5
Momen cực đại đầu ra
Nm
54
Tốc độ cực đại
Rpm
40
Hằng số momen
Nm/A
19
Hằng số B.E.M.F
v/rpm
2.0
Momen quán tính
kg
0.36
Msec
4.7
Độ dốc đặc tính cơ
Nm/rpm
8.1
Hệ số momen nhớt
Nm/rpm
3.1.
1:R
1:100
Tải trọng hướng tâm
N
784
Tải trọng hướng trục
N
784
Công suất định mức động cơ
W
100
Tốc độ định mức của động cơ
Rpm
3000
Điện trở phần ứng
Ohm
4.8
Điện cảm phần ứng
mH
2.3
Dịng khởi động
A
0.23
Dịng khơng tải
A
0.7
Dịng đỉnh
Hằng số thời gian cơ khí
Tỷ số truyền
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SERVO HARMONIC 8D-3006
2.1 Xây dựng hệ phương trình tính tốn động học động cơ servo:
Đối tượng điều khiển được mô tả dưới dạng phương trình tốn học sau:
Mạch phần ứng: U – E = Iư (Rư + s.Tư )
3
Mạch kích từ: Uk = Ik.(Rk + s.Tk)
Momen quay: M = k.Øi
Phương trình động học: M – Mc = Jsw
Sức điện động : E = k.Øw
2.2 Mơ hình tốn của động cơ DC servo Harmonic 8D-3006
Các tham số cơ bản của động cơ như sau:
Rư = 4.8 Ω
Lư = 2,3 mH
Kt = 19 Nm/A
Kp = 0,36 v/rpm
Bf = 3,1.10-1 Nm/rpm
J = 0,36 Kgm2
Hộp số K = 100
Kb = 2
Momen cản Mc = 22 Nm
Cấu trúc động cơ như sau:
Hình 2.3 Cấu trúc động cơ RHS 8D-3006
2.3 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục
Mơ hình mơ phỏng trên Simulink:
4
Hình 2.4 Mơ hình mơ phỏng động cơ RHS 8D-3006
Điện áp định mức: U = 75V
Hình 2.5 Điện áp định mức đông cơ
Tham số động cơ động cơ trên Matlab:
Rư = 4.8 Ω
Lư = 2,3 mH
Kt = 19 Nm/A
Kp = 0,36 v/rpm
Bf = 3,1.10-1 Nm/rpm
J = 0,36 Kgm2
5
Hộp số K = 100
Kb = 2
Momen cản Mc = 22 Nm
Kết quả đầu ra khi không tải :
Hình 2.6 Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc
Hình 2.7 Đáp ứng dịng điện khi khơng có Mc
Kết quả đáp ứng đầu ra khi cho momen cản Mc = 22:
6
Hình 2.8 Đáp ứng tốc độ khi có Mc
Hình 2.9 Đáp ứng dịng điện khi có Mc
Nhận xét: Tốc độ động cơ thay đổi khi phụ tải thay đổi, không có khả năng tự
ổn định tốc độ. Dịng điện động cơ khi khởi động tăng rất nhiều so với dòng định
mức.
2.4 Khảo sát chu kì trích mẫu T đến tính ổn định của hệ thống
Sử dụng Matlab ta tìm được hàm truyền của hệ:
7
>> G1=tf(1/Ru,[Ls 1]);
>> G2=tf(1,[J Bf]);
>> G0=G1*Kt*G2;
>> Gk=feedback(G0,Kb);
>> Gz=c2d(Gk,0.01,'zoh')
Gz =
0.08015 z + 0.02138
-----------------------z^2 - 0.8018 z + 0.01282
Sample time: 0.01 seconds
Discrete-time transfer function.
Khảo sát đáp ứng ra khi thay đổi chu kì trích mẫu
Với T=0.01s
Hình 2.10 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
8
Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
Với T=0.1s
>> G1=tf(1/Ru,[Ls 1]);
>> G2=tf(1,[J Bf]);
>> G0=G1*Kt*G2;
>> Gk=feedback(G0,Kb);
>> Gz=c2d(Gk,0.1,'zoh')
Gz =
0.4355 z + 0.002682
------------------z^2 - 0.08941 z
Sample time: 0.1 seconds
Discrete-time transfer function.
9
Hình 2.12 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
Hình 2.13 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
Nhận xét: Nhận thấy thời gian lấy mẫu càng nhỏ hệ gián đoạn càng gần với hệ
liên tục.
10
2.5 Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
Có thể coi bộ biến đổi là 1 khâu quán tính bậc nhất PT1:
=
Chọn tần số băm xung là 20kHz ta được
=
Chọn = = => =
2.5.1
Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền liên tục
Ta có Uv=75 thì tốc độ là 3600 vịng
Hình 2.14 Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc
Nên ta có khối tỷ lệ:
Hình 2.15 Khối tỷ lệ
- Mơ hình mơ phỏng trên matlab
11
Hình 2.16 Mơ hình mơ phỏng trên Matlab dùng BĐK PID
Tính tốn thơng số cho bộ điều khiển PID bằng Matlab
Ta có được các thơng số của bộ điều khiển PID:
P= 0.191120589935579
I= 8.27136636432354
D= -3.89828629765796e-05
Kết quả mô phỏng
12
+ Khi khơng có momen cản Mc:
Hình 2.17 Đáp ứng tốc độ trên miền liên tục khi khơng có Mc
Hình 2.18 Đáp ứng dòng điện trên miền liên tục khi khơng có Mc
+ Khi có momen cản Mc = 22:
13
Hình 2.19 Đáp ứng tốc độ trên miền liên tục khi có Mc
Hình 2.20 Đáp ứng dịng điện trên miền liên tục khi có Mc
Nhận xét
+ Độ quá độ khoảng 10%
+ Tốc độ và dòng điện ra đúng với tốc độ và dòng điện định mức
2.6 Xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền số
Bộ PID trên miền thời gian được mô tả:
14
KR: Hệ số tỉ lệ
Tc: Hằng số thời gian chậm sau
Tv: Hằng số thười gian vượt mức
- Xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần D bậc 1
=>
Vậy:
Với:
;;
Từ thông số từ bộ điều khiển PID ta có:
0.191120589935579
Chọn T = 0.001 (s)
Ta được các thơng số của bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục:
Thay ta được bộ điều khiển số:
2.7 Mô phỏng
15
Hình 2.21 Cấu trúc mơ phỏng PID sang miền số
Hình 2.22 Đáp ứng tốc độ trên miền gián đoạn khi khơng có Mc
16
Hình 2.23 Đáp ứng dịng điện trên miền gián đoạn khi khơng có Mc
Khi có Momen cản Mc = 22:
Hình 2.24 Đáp ứng tốc độ trên miền gián đoạn khi có Mc
17
Hình 2.25 Đáp ứng dịng điện trên miền gián đoạn khi có Mc
Nhận xét:
+ Tốc độ và dòng điện ra gần đúng với tốc độ và dịng điện định mức
+ Khi có momen cản làm cho dòng điện tăng và tốc độ giảm đi ít
2.8 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 hồn tồn 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 khơng 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 nguyên hỗ trợ cũng như bản
thân hệ thống cần điều khiển.
18