Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO Hanrmonic RHS 17-6006

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
Đề bài 32: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC
SERVO Hanrmonic RHS 17-6006
Chương 1. Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RHS17 -6006
1.1. Cấu tạo của động cơ servo
1.2. Nguyên lý hoạt động
1.3. Các tham số cơ bản của động cơ
Chương 2. Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ Servo
Harmonic RHS 17-6006
2.1. Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ
2.2. Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo
Harmonic RH 8D-6006
2.3. Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RHS 17-
6006
1
ĐIỀU KHIỂN SỐ
Đề bài 32: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC
SERVO Hanrmonic RHS 17-6006

Chương 1. Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RHS17 -6006
1.1. Cấu tạo của động cơ servo:
Hình 1: Cấu tạo động cơ servo
1, Động cơ ; 2, Bản mạch
7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp hành
3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu
5, Dây âm nguồn ; 6, Điện thế kế
9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển
1.2. 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
Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RHS 17-6006 của hãng

Harmonic. Động cơ này thuộc dòng RHS - series (Sizes 20) là dòng động
cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, mô men lớn và có gắn
sẵn encoder.
2
1.2. Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 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 ~ +40
o
C
Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60
o
C
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: Thông số động cơ
Thông số Đơn vị Động cơ RH 8D-6006
Công suất đầu ra (sau hộp số) W 8.6
Điện áp định mức V 24
Dòng điện định mức A 1.0
Mômen định mức T
N
In-lb 12
Nm 1.4
Tốc độ định mức n

N
rpm 60
Mômen hãm liên tục In-lb 13
Nm 1.5
Dòng đỉnh A 1.6
Mômen cực đại đầu ra T
m
In-lb 24
Nm 2.7
Tốc độ cực đại rpm 100
Hằng số mômen (K
T
) In-lb/A 19
Nm/A 2.10
Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh
hưởng của tốc độ đến sđđ phần
ứng )(Kb)
v/rpm 0.22
Mô men quán tính (J) In-bl –sec
2
0.033
3
Kgm
2
3.7
Hằng số thời gian cơ khí ms 8.5
Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 0.42
Nm/rpm 0.047
Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.086
Nm/rpm 9.7e-3

Tỷ số truyền 1:R 50
Tải trọng hướng tâm lb 44
N 196
Tải trọng hướng trục lb 22
N 98
Công suất động cơ W 10
Tốc độ định mức động cơ rpm 3000
Điện trở phần ứng Ω 10
Điện cảm phần ứng mH 2.2
Dòng khởi động A 0.24
Dòng không tải A 0.38
Chương 2. Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ
Servo Harmonic RHS 17-6006
2.1.Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ
-Fω và Fφ lần lượt là hàm truyền phản hồi tốc độ và vị trí
-BBĐ Công Suất có chức năng biến đổi điện áp DC 0-5V thành 0-24V
Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ phản hồi tốc độ và vị trí từ
Encoder
R phi R w BBĐ
Công suất
-
F w
F phi
Phi
4
Hình 2.2: Phồi vị trí bằng cách lấy tích phân tốc độ theo thời gian
2.2. Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo
Harmonic RH 8D-6006
Tham số chính:
-Ra=10

-La=2.2mH
-Kt=2.1 Nm/A
-Kb=0.22 V/rpm
-Bf=9.7*e-3
-J=3.7*e-3
=> Ta có
(1)
Chuyển sang miền Laplace ta có
. .
1
( )
.
.
.
a a
a a a a
dc c
dc t
a
b
a
s
J s
n
U e i i
R L
M M
i
M K
e

K
ω
− = +



= −



=

=


(2)
R phi R w BBĐ
Công suất
-
F w
Tích
phân
Phi
5
Có
( )*1/
1 .
a
a a a
a

a
a a
s
U e
R
L
i
T
R T
−
= => =
+
Thay vào (2) ta được hệ phương trình sau :
( )*1/
1 .
1
( )
.
.
.
a
a a
a
a
dc c
dc t
a
b
a
s

J s
n
U e
R
i
T
M M
i
M K
e
K
ω
−
=

+



= −


 =

=


(5)
Từ hệ phương trình trên,ta có cấu trúc của động cơ như sau :
Hình 2.2 : Cấu trúc động cơ DC servo

6
Hình 2.3 : Đặc tính tốc độ động cơ
Hình 2.4 : Đặc tính dòng phần ứng động cơ
2.3. Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RHS 17-6006
Để điều khiển vị trí động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống ba
vòng điều chỉnh ,Tuy nhiên động cơ DC servo RHS 17- 6006 là loại động
cơ cỡ nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng.
Ta chọn :
-Chu kỳ trích mẫu mạch tốc độ : Tw=0.001s
-Chu kỳ trích mẫu mạch vòng vị trí : Tφ=0.1s
7
Hình 2.6: Cấu trúc mạch vòng điều khiển vị trí
2.3.1. Xây dựng vòng điều khiển tốc đọ
Ta coi bộ biến đổi công suất là khâu quán tính bậc nhất với : Tf=1/f với
f=30kZ(Tần số băm xung)
Hàm truyền bộ biến đổi công suất là :
0.0092
( )
1 3.333 005 1
bd
bd
s
Tfs e s
K
G
= =
+ − +
=>Mạch vòng dòng điện có cấu trúc như sau :
2
2.133

( )
3.324 005 0.08166 1.43
dc
s
e s
G
s
=
− + +
=>Hàm truyền đối tượng mạch vòng tốc đọ có cấu trúc sau :
3
1.963
( )
1.108 009 3.597 005 0.08171 1.43
( )
dc
Gsw s
bd
e e s s
s G
G
s
= =
− + − + +
Sử dụng công cụ SISO design của matlab=>xác định được hàm truyền
đạt của vòng điều chỉnh tốc độ là.
8
w
0.05( 0.08)
( )

1
z
s
z
G
+
=
−
Xấp xỉ luật PID sử dụng phương pháp hình thang cho thành phần I và
phân thức sai bậc 2 cho thành phần D
1 2 3
1
0 1 2 3
( )
( )
( )
1
3
0 (1 );
2 2
7
1 (1 )
2 2
5
2 ;
2
3 ;
2
r
r r r r

U z
z
E z
T Tv
r Kr
Tc T
Tv T
r Kr l
T Tc
Tv
r Kr
T
Tv
r Kr
T
z z z
G
z
− − −
−
+ + +
= =
−
= + +
= − + −
=
= −
Cấu trúc :
Hình 2.7. Mạch vòng tốc độ
Mô phỏng hệ ta được :

9
Hình 2.8. Hệ tọa độ cực và đáp ứng của hệ thống trên SISO design
2.3.2. Xây dựng bộ điều khiển vị trí
Tổng hợp BĐK vị trí Rphi tương tự như các mạch vòng khác.Tuy
nhiên cấu trúc của mạch vòng vị trí sẽ không có thành phần I mà chỉ là P
hay PD
10
Để đơn giản,ta coi BĐK vị trí là một khâu khuếch đại với hệ số
k=400,thời gian lấy mẫu la T=0.1 s.
Sừ dụng khối c2000lib,chọn khối c2000 PI controller ta được cấu trúc
sau :
Kết quả Mô phỏng :
Đáp ứng tốc độ
11
Đáp ứng vị trí
12
Kết Luận
Tài liệu tham khảo
[1] GS.TS Nguyễn Phùng Quang
Điều khiển số (Digital Control System) – Đại học Bách khoa Hà Nội –
2007
[2] Phạm Văn Khánh
Đồ án tốt nghiệp ĐTĐ47 – 2010
[3] Harmonic drive actuator – Precision Gearing & Motion Control
DC Servo System – RHS & RFS Series
[4] ngày 25/4/2012
23h:30
13
14