Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 206007.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN: ĐIỀU KHIỂN SỐ
MÃ HP: 13322
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 20-6007
SINH VIÊN

MSV

LỚP

NHIỆM VỤ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:
ĐIỂM ĐÁNH GIÁ:

HẢI PHÒNG - 12/2022


MỤC LỤC
MỤC LỤC_________________________________________________________2
MỞ ĐẦU__________________________________________________________4
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS

20-6007____________________________________________________________1
1.1 Giới thiệu về động cơ Servo______________________________________1
1.2 Nguyên lý hoạt động DC Servo Harmonic RHS_______________________3
1.3 Thông số động cơ DC Servo Harmonic RHS 20-6007__________________3
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ__________________5
2.1 Mô tả đối tượng điều khiển_______________________________________5
2.2 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục____________6
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC___________10
3.1 Khái quát về phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục____________________10
3.2 Thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục______________________________10
3.2.1 Mơ hình mơ phỏng_________________________________________10
3.2.2 Tính tốn bộ điều khiển PID bằng phương pháp PID Tuner_________11
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục__________________________11
KẾT LUẬN_______________________________________________________15
TÀI LIỆU THAM KHẢO___________________________________________16


DANH MỤC HÌNH ẢN
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo.........................................................................................1
Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của động cơ Servo...................................................................2
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của động cơ................................................................................6
Hình 2.2: Mơ hình mơ phỏng động cơ Servo.....................................................................7
Hình 2.3: Đặc tính tốc độ động cơ khi khơng có Mc..........................................................7
Hình 2.4: Đặc tính tốc độ dịng điện khi khơng có Mc.......................................................8
Hình 2.5: Đặc tính tốc độ động cơ khi có Mc.....................................................................8
Hình 2.6: Đặc tính tốc độ dịng điện khi có Mc..................................................................9
Hình 3.1: Mơ hình mô phỏng bộ điều khiển xấp xỉ liên tục trên MATLAB.....................10
Hình 3.2: Tính tốn bộ điều khiển bằng PID Tuner..........................................................11
Hình 3.3: Cấu trúc mô phỏng bộ điều khiển xấp xỉ liên tục.............................................12
Hình 3.4: Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc.....................................................................13

Hình 3.5: Đáp ứng dịng điện khi khơng có Mc...............................................................13
Hình 3.6: Đáp ứng tốc độ khi có Mc................................................................................14
Hình 3.7: Đáp ứng dịng điện khi có Mc..........................................................................14


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 20 - 6007.” Qua bài
tập lớn đã giúp em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm. Dưới
sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Tiến chúng em đã thực hiện xong bài tập này.
Do kiến thức cịn 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 VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS
20-6007

1.1 Giới thiệu về động cơ Servo
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 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 mô hình máy bay và ơ
tơ.
Cấu tạo động cơ Servo:

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ servo

1


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

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của động cơ Servo

- 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
- Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RHS 20-6007của hãng
Harmonic.Động cơ này thuộc dòng RFS - eries (Sizes 20) là dòng động cơ
được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, mơ men lớn và có gắn sẵn
encoder
1.2 Nguyên lý hoạt động DC Servo Harmonic RHS

2


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.
1.3 Thông số động cơ DC Servo Harmonic RHS 20-6007

Thông số kỹ thuật động cơ được thể hiện ở bảng 1.1:
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật động cơ RHS 20-6007

Thông số

Đơn vị

Động cơ RHS 20-6007

Công suất đầu ra (sau hộp số)

W

74

Điện áp định mức

V

75

Dịng điện định mức

A

1.9

Mơmen định mức TN

In-lb

208

Nm

24

Tốc độ định mức nN

rpm

30

Mơmen hãm liên tục

In-lb

243

Nm

28

A

4.8

In-lb

729

Nm

84

rpm

40

In-lb/A

182

Nm/A

21.0

v/rpm

2.15

In-bl –sec2

10.4

Kg.m2

1.2

Dịng đỉnh

Mơmen cực đại đầu ra Tm
Tốc độ cực đại
Hằng số mômen (KT)
Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh
hưởng của tốc độ đến sđđ phần
ứng )(Kb)
Mơ men qn tính (J)

3


Hằng số thời gian cơ khí
Độ dốc đặc tính cơ
Hệ số momen nhớt ( Bf)
Tỷ số truyền
Tải trọng hướng tâm
Tải trọng hướng trục
Công suất động cơ
Tốc độ định mức động cơ

ms

9.2

In-lb/rpm

115

Nm/rpm

13

In-lb/rpm

2.7

Nm/rpm

3.1*10^-1

1:R

100

lb

309

N

1400

lb

309

N

1400

W

120

rpm

3000

Điện trở phần ứng

Ω

3.4

Dòng thời gian liên tục

ms

0.81

Dòng khởi động

A

0.35

Dòng không tải

A

0.8

4


CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Mô tả đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển được mô tả bởi phương trình tốn học sau :
- Điện áp phần ứng :

uA=eA+RAiA+LA

- Sức từ động cảm ứng: eA=ke
- Tốc độ quay:
- Momen quay:
- Hằng số động cơ:
- Hằng số thời gian phần ứng: TA=
Tham số của động cơ:
Rư = 3.4 Ω (điện trở phần ứng)
Lư = 2.7 mH (điện cảm phần ứng)
Kt = 21.0 Nm/A (hệ số mô men)
Ke = 2.15 V/rpm (hệ số sức điện động)
Bf = 3.1*10-1 Nm/rpm (hệ số ma sát)
J = 1.2 Kg.m2 (momen quán tính của động cơ)
Ta có:

diA

u


e

i
R

L
A
A
A
A
A

dt

 d  1 ( M  M )
dc
c
 dt
J

 M dc  K t i A
e  K n
b
 A
Chuyển sang miền ảnh laplace:

5

u A  e A  i A RA  LAi A s

1

 s  ( M dc  M c )
J

 M dc  K t iA


e A  K b n
Thay

TA 

LA
RA ta có hệ phương trình sau:

1 / RA

i

 A 1  T s  u A  eA 
A

1

( M dc  M c )
  
Js


 M dc  K t iA

eA  K b n
Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như
sau:

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của động cơ

2.2 Khảo sát động học của đối tượng trên miền thời gian liên tục

6


Hình 2.4: Mơ hình mơ phỏng động cơ Servo

- Mơ hình mơ phỏng của động cơ
 Khi khơng có momen cản Mc:

Hình 2.5: Đặc tính tốc độ động cơ khi khơng có Mc

7


Hình 2.6: Đặc tính tốc độ dịng điện khi khơng có Mc

 Khi có mơmen cản Mc

Hình 2.7: Đặc tính tốc độ động cơ khi có Mc

8


Hình 2.8: Đặc tính tốc độ dịng điện khi có Mc

Nhận xét:
+ Khi có Mc thì dịng điện và tốc độ động cơ đều có thay đổi và khơng có
khả năng ổn định như lúc khơng có Mc
+Dịng khởi động lớn hơn nhiều so với dòng định mức ban đầu

9


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC

3.1 Khái quát về phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục
- Luật PID trên miền thời gian được mô tả:
(3.1)
Với

KR: Hệ số tỉ lệ
Tc: Hằng số thời gian chậm sau
Tv: Hằng số thười gian vượt mức

- Xấp xỉ luật PID
+ Giả sử xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành
phần D bậc 1 ta có:
(3.2)=>

(3.3)

Vậy:
(3.4)
Với:

;;

(3.5)

3.2 Thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục
3.2.1

Mơ hình mơ phỏng

Hình 3.9: Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển xấp xỉ liên tục trên MATLAB

10


3.2.2 Tính tốn bộ điều khiển PID bằng phương pháp PID
Tuner

Hình 3.10: Tính tốn bộ điều khiển bằng PID Tuner

- Từ đó ta có thơng số bộ điều khiển PI như sau:
+ P = 2.566
+ I = 10.73
3.2.3

Thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục

a, Chọn các tham số cho bộ điều khiển
- Chọn điện áp vào bộ điều khiển PID từ 0 - 10V.
- Chọn tốc độ động cơ từ 0 - 3000 (vòng/phút)
=> Hệ số tỷ lệ 10/3000
- Chọn tham số của bộ biến đổi công suất:
+ Đầu ra PID : 1V
+ Đầu vào động cơ: 24V
=>Chọn
+ f = 10kHz
=>
Vậy
- Chọn tham số bộ điều khiển PID:
Từ thơng số từ bộ điều khiển PID ta có:
11


Chọn chu kì trích mẫu T = 0.001 (s)
Ta được các thông số của bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục:

Thay ta được bộ điều khiển số:

b, Kết quả mơ phỏng

Hình 3.11: Cấu trúc mơ phỏng bộ điều khiển xấp xỉ liên tục

12


Hình 3.12: Đáp ứng tốc độ khi khơng có Mc

Hình 3.13: Đáp ứng dịng điện khi khơng có Mc

13


Hình 3.14: Đáp ứng tốc độ khi có Mc

Hình 3.15: Đáp ứng dịng điện khi có Mc

Nhận xét:
+ Thời gian xác lập nhanh 0.4s
+ Độ quá độ khoảng 12%
+ Tốc độ và dòng điện ra đúng với tốc độ và dòng điện định mức
- So sánh chất lượng điều khiển:
+ Thời gian xác lập của bộ điều khiển số nhanh hơn một chút so với bộ
điều khiển PID
+ Độ quá độ của bộ điều khiển PID cao hơn so với bộ điều khiển số
+ Đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển là tương đối giống nhau
14


KẾT LUẬN

Qua bài tập lớn này giúp chúng em hiểu rõ hơn về cấu tạo động cơ
Servo DC các dòng khác nhau, đặc biệt là dòng RHS 20 - 3007 cũng như
cách thiết kế điều khiển tốc độ trên Matlab và mô phỏng.
Nhờ sự hướng dẫn của thầy bọn em cũng có được những kết quả
nhất định như sau:
- 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 hoàn toàn đúng và chính xác.

15


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG, TS.Nguyễn Khắc Khiêm, TS.Phạm
Tuấn Anh, PGS.TS Trần Sinh Biên , Nhà xuất bản Hàng Hải, 2018.
[2] DC Servo Systems RH Mini Series, RHS and RFS Series.

16