Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 173006.NĂM HỌC 2022

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 17-3006

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 17D – 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 RHS17-3006..........................................2
1.4.1 Thông số động cơ RHS 17-3006................................................................3
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SERVO HARMONIC RHS 17-3006...........................................................................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 RHS17-3006.......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 RHS17-3006 thực tế........................................2
Hình 2.1 Cấu trúc động cơ RHS 17-3006......................................................................4
Hình 2.2 Mơ hình mơ phỏng động cơ RHS 17-3006.....................................................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 17-3006 trên miền số..................................8
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số..................................9
Hình 2.10 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số..............................10

Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng động cơ RHS 17-3006 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 dòng 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 cơng nghệ thơng 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 cơng 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 17-3006.” 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 17D – 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 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 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 RHS17-3006

Động cơ RHS 17-3006 là động cơ một chiều do hãng Harmonic của Nhật sản
Hình 1.2 Đơng cơ DC servo Harmonic RHS17-3006 thực 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

Thông số động cơ RHS 17-3006
Bảng 1.1 Thông số động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
2


Thông số

Đơn vị

Động cơ RHS17-3006

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 RHS 17-3006.

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 RHS17-3006
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 17-3006

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 17-3006

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