Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO HARMONIC RH 14d 6002

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC
RH 14D-6002
1.1. Giới thiệu 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 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 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 mô
hình máy bay, ô tô. 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 ô tô.
Cấu tạo động cơ Servo:
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
1
7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp hành
9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển
1.2. Thông số động cơ DC Servo Harmonic RH 14D-6002.
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 công nghiệp và tự

động hóa.
Đặc tính tải của động cơ
2
Thông số kỹ thuật động cơ:
Thông số Đơn vị Động cơ RH 14D-6002
Công suất đầu ra (sau hộp số) W 20.3
Điện áp định mức V 24
Dòng điện định mức A 1.8
Mômen định mức T
N
In-lb 28
Nm 3.2
Tốc độ định mức n
N
rpm 60
Mômen hãm liên tục
In-lb 48
Nm 5.4
Dòng đỉnh A 5.4
Mômen cực đại đầu ra T
m
In-lb 122
Nm 14
Tốc độ cực đại rpm 100
Hằng số mômen (K
T
)
In-lb/A 26
Nm/A 2.92
Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng

của tốc độ đến sđđ phần ứng )(K
e
)
v/rpm 0.30
Mô men quán tính (J)
In-bl –sec
2
0.18
Kgm
2
x10^-3 21.6
Hằng số thời gian cơ khí ms 7.0
Độ dốc đặc tính cơ
In-lb/rpm 2.9
Nm/rpm 3.2*10^-1
Hệ số momen nhớt ( Bf)
In-lb/rpm 0.31
Nm/rpm 3.5*10^-2
Tỷ số truyền 1:R 50
Tải trọng hướng tâm
lb 88
N 392
Tải trọng hướng trục
lb 88
N 392
Công suất động cơ W 30
3
Tốc độ định mức động cơ rpm 3000
Điện trở phần ứng Ω 2.7
Điện cảm phần ứng mH 1.1

Dòng thời gian liên tục ms 0.41
Dòng khởi động A 0.43
Dòng không tải A 0.89
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-6002
2.1. Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo
DC Servo Harmonic RH 14D-6002 có các tham số chính:
• R
a
= 2.7 Ω
• L
a
= 1.1 mH
• K
T
= 2.92 Nm/A
• K
E
=K
B
= 0.3 V/rpm
• Bf = 3.5*10^-2 Nm/rpm
• J = 21.6 Kgm
2
x 10^-3
• M
C
= 3.2 Nm
• T
cl

= 0.05*10^-3
4
Cấu trúc của động cơ như sau :
Hình 2.2 : Cấu trúc động cơ DC servo
Kết quả mô phỏng DC servo Harmonic RH 14D-6002:
• Khi không có Mc
• Khi có Mc
5
Hình 1.1. Đặc tính tốc độ động cơ
Hình 1.2. Đặt tính dòng điện động cơ
2.2. Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ
Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống
hai vòng điều chỉnh.
Ta chọn :
6
-Chu kỳ trích mẫu mạch vòng dòng : Tcl = 0.001s
-Chu kỳ trích mẫu mạch vòng tốc độ : Tw=0.001s
Cấu trúc 2 mạch vòng
Hình 2.1. Cấu trúc 2 mạch vòng
2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng
Chọn Tcl=0.5ms
>> G1=tf(1,[0.5*10^-3 1])
>> G2=tf(1,[0.0011 2.7])
>> G3= G1*G2
>> rltool
7
Hình 2.2. Hệ tọa độ cực và đáp ứng của hệ thống trên SISO design
Lấy kêt quả bộ điều khiển :
>> C
8

0.73719 (s+8395)

S
Mô phỏng kết quả mạch vòng dòng điện trên miền tương tự
Mô phỏng kết quả mạch vòng dòng điện trên miền số :
9
2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
Vì mạch vòng dòng có I
SP
<< so với mạch vòng tốc độ do vậy trong một trong 1
chu kỳ
*
u
I I=
Áp dụng phương pháp xấp xỉ liên tục ta tìm được bộ (khi bỏ qua mạch
vòng dòng điện)
10
Ta có :
G4= Kt= 2.92
G5= tf(1,[J Bf])
G6= G4*G5
11
Hình 2.3. Hệ tọa độ cực và đáp ứng của hệ thống trên SISO design
Kết quả bộ điều khiển :
>> C
0.071077 (s+9.288)

s
Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ trên miền tương tự :
12

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ trên miền số :
13
2.2.3. Tổng hợp 2 mạch vòng
Kết quả mô phỏng trên miền tương tự:
14
• Đáp ứng tốc độ
• Đáp ứng dòng điện
15
Kết quả mô phỏng trên miền số:
• Đáp ứng tốc độ
16
• uĐáp ứng dòng điện
Kết luận : Do thời gian trích mẫu rất nhỏ nên miền tương tự và miền số như
nhau. Khi có bộ điều khiển thì đáp ứng tốc độ liên bám theo tín hiệu đặt
17